Programmierung von FLASH-Speicherchips. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

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Wiederprogrammierbare Nur-Lese-Speicherchips mit elektrischer Datenlöschung, die mithilfe der FLASH-Technologie hergestellt werden, haben eine starke Position in der Elektronik und Computertechnologie eingenommen und andere Arten nichtflüchtiger Speichergeräte verdrängt. Ihr Hauptvorteil ist die Möglichkeit, „im System“ neu zu programmieren, ohne den Chip von der Leiterplatte abzulöten oder von der Platte zu entfernen. Die große zulässige Anzahl von Umprogrammierungszyklen ermöglicht es, auf solchen Mikroschaltungen „FLASH-Disks“ mit einer Kapazität von mehreren zehn Megabyte aufzubauen, die sich von herkömmlichen Festplatten- oder Diskettenlaufwerken durch das völlige Fehlen beweglicher Teile unterscheiden. Dadurch sind sie langlebig und können bei starken Vibrationen eingesetzt werden, beispielsweise an Autos und anderen beweglichen Objekten. Der veröffentlichte Artikel widmet sich den Fragen der Programmierung von FLASH-Speicherchips.

Was FLASH-Speicherchips von anderen ROM-Typen unterscheidet, ist das Vorhandensein eines integrierten „Programmierers“ – einer Lösch- und Schreibmaschine (AC3) – direkt auf dem Chip. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, während des Programmiervorgangs eine erhöhte Spannung an die Anschlüsse der Mikroschaltung anzulegen und bestimmte Impulsfolgen zu bilden. AC3 erledigt dies alles unabhängig und unbemerkt vom Benutzer, der nur mit dem entsprechenden Befehl die Zellenadresse und den Code angeben kann, der hineingeschrieben werden soll, und auf den Abschluss des Vorgangs warten kann. In vielen Fällen kann ein längerer Vorgang (z. B. das Löschen eines Datenblocks) angehalten, die gewünschten Informationen aus einem anderen Speicherbereich gelesen und dann fortgesetzt werden.

Heutzutage produzieren viele Unternehmen (die bekanntesten sind Intel. AMD. Atmel. Winbond) ein großes Sortiment an FLASH-Speicherchips mit einer Kapazität von bis zu 4 MB. Ihre externe Schnittstelle kann parallel oder seriell sein. Mikroschaltungen mit serieller Schnittstelle sind vor allem für die Speicherung kleiner Datenmengen in Klein- oder Spezialgeräten konzipiert, beispielsweise für die Speicherung fester Einstellungen eines Radioempfängers oder des Betriebsprogramms eines Elektrohaushaltsgeräts.

Als nächstes werden wir über „parallele“ FLASH-Mikroschaltungen sprechen, die sich hinsichtlich des physikalischen und logischen Designs der Schnittstelle zum Prozessor nicht von herkömmlichen ROMs unterscheiden, außer dass sie wie RAM über einen Schreibfreigabeeingang verfügen. In solchen Mikroschaltungen sind die BIOS-Codes moderner Computer gespeichert. Die Datenorganisation kann 16- oder 70-Bit sein. Oft kann dies durch Anschließen einer speziell dafür vorgesehenen Klemme an ein gemeinsames Kabel oder eine Stromquelle ausgewählt werden. Zusätzlich zu den Adress- und Datenbussen werden den Mikroschaltungen drei Steuersignale zugeführt: Quarzauswahl (CE), Ausgangsfreigabe (OE) und Schreibfreigabe (WE). Letzteres ist nur dann der Fall, wenn die Mikroschaltung programmiert werden muss. Die minimale Lesezyklusdauer beträgt 150...XNUMX ns.

Bei den ersten FLASH-Chips bestand das Array aus Speicherzellen aus einem einzigen Block, und Daten konnten nur vollständig aus dem gesamten Array gelöscht werden. In vielen modernen Mikroschaltungen ist der Speicher in Blöcke unterteilt, und das Löschen von Daten in einem von ihnen hat keinen Einfluss auf die in den anderen gespeicherten Daten. Die Blockgrößen variieren stark – von 128 Byte bis 128 KB oder mehr. Beim Lesen von Daten wird jedoch der gesamte Speicher der Mikroschaltung als ein einzelnes Array betrachtet. dass es physisch in Blöcke unterteilt ist, spielt keine Rolle.

Normalerweise sind die Blöcke gleich und gleichberechtigt, sie können aber auch unterschiedlich sein. Beispielsweise verfügen Chips der Intel 28Fxxx-Serie über einen sogenannten Bootblock mit einer Kapazität von 16 KB und zwei Parameterblöcke von jeweils 8 KB. Als nächstes folgt ein 96-KB-Block, der Rest des Speichers besteht aus 128-KB-Blöcken. Die Eigenschaften dieser Blöcke unterscheiden sich geringfügig. Der Bootloader verfügt über einen Hardware-Schreib- und Löschschutz. Das Einschalten erfolgt durch Anlegen des entsprechenden logischen Pegels an einen speziell dafür vorgesehenen Pin der Mikroschaltung. Parameterblöcke sind für die Speicherung häufig geänderter Daten konzipiert und können einer größeren Anzahl von Lösch-/Schreibzyklen standhalten als andere.

Jeder der Mikroschaltkreise der betrachteten Serie wird in zwei Versionen hergestellt, die sich in der Platzierung der Blöcke im Adressraum unterscheiden. In Mikroschaltungen mit Index B (unten) befinden sie sich beginnend bei Adresse Null in der oben angegebenen Reihenfolge. Bei Produkten mit Index T (oben) ist die Reihenfolge umgekehrt (Boot – im Bereich der hohen Adressen).

Derzeit hergestellte FLASH-Speicherchips sind für Nennversorgungsspannungen von 2.7 bis 5 V ausgelegt. Eine erhöhte Spannung (12 V) ist für sie überhaupt nicht oder nur in einigen Sondermodi erforderlich. Im passiven („nicht ausgewählten“) Zustand verbrauchen solche Mikroschaltungen einen Strom von nicht mehr als 1 mA aus der Stromquelle (in den meisten Fällen zehnmal weniger). Manchmal ist ein spezieller vollständiger Abschaltmodus (Schlafmodus) vorgesehen, bei dem der Verbrauch vernachlässigbar ist. Es ist zwar unmöglich, Daten von einem „schlafenden“ Mikroschaltkreis zu lesen, sondern ihn „aufzuwecken“. manchmal dauert es mehrere zehn Mikrosekunden. Der Stromverbrauch im aktiven Modus beträgt mehrere zehn Milliampere, und wenn Sie einen Mikroschaltkreis, dessen AC3 einen Langzeitvorgang ausführt (z. B. Daten löschen), in einen passiven Zustand schalten, nimmt der Strom erst ab, wenn er abgeschlossen ist.

Besonderes Augenmerk wird auf den Schutz der im FLASH-Speicher gespeicherten Daten vor versehentlichen Änderungen gelegt, insbesondere unter dem Einfluss von Rauschen und Transienten beim Ein- und Ausschalten. In den meisten Fällen gibt es drei Arten von Hardwareschutz. Das erste ist dieses. dass die Mikroschaltung nicht auf Impulse in der WE-Schaltung mit einer Dauer von weniger als 15...20 reagiert, zweitens kann bei niedrigem Logikpegel am OE-Eingang keine Manipulation der Signale an anderen Eingängen zur Aufzeichnung führen , das dritte ist das. dass AC3 ausgeschaltet wird, wenn die Versorgungsspannung unter einen bestimmten Wert fällt. Bei verschiedenen Arten von Mikroschaltungen liegt die Abschaltschwelle im Bereich von 1.5...3.8 V.

Manchmal ist es möglich, das Ändern und Löschen des gesamten Datenfelds oder seiner Teile vollständig zu verbieten. Um ein solches Verbot zu verhängen oder aufzuheben, sind in der Regel „außerordentliche“ Maßnahmen erforderlich (z. B. kurzzeitiges Anlegen einer erhöhten Spannung an bestimmte Anschlüsse).

Softwareschutz ist ebenfalls vorhanden. Um den Inhalt einer Zelle zu ändern, reicht der FLASH-Speicher nicht aus, wie beim herkömmlichen RAM. Schreiben Sie einen Code an eine Adresse. Es ist ein Befehl erforderlich, der aus mehreren Codes besteht, die an bestimmte Adressen geschrieben werden.

Jeder FLASH-Chip ist in der Lage, seinen Typ dem Gerät, in dem er installiert ist, mitzuteilen, sodass Sie automatisch die gewünschten Algorithmen zum Aufzeichnen und Löschen von Daten auswählen können. Entsprechende Befehle werden bereitgestellt, um den Identifier-Lesemodus programmgesteuert zu aktivieren und zu deaktivieren. Nach dem Einschalten wird die Herstellerkennung an der Adresse OH und die des Geräts an der Adresse 1H gelesen (die Kennungen einiger Mikroschaltungen sind in der Tabelle aufgeführt). Im gleichen Modus, aber an unterschiedlichen Adressen, können Sie in manchen Fällen zusätzliche Informationen erhalten, beispielsweise über den Status des Hardware-Schreibschutzes.

Sie können ohne Befehl in den Identifier-Lesemodus wechseln, indem Sie eine Spannung von +9 V an den Adresseingang A12 anlegen. Die zulässige Abweichung seines Wertes ist für verschiedene Arten von Mikroschaltungen unterschiedlich. In manchen Fällen beträgt sie nicht mehr als ±5 %. in anderen reicht es aus, dass die Spannung nur einen bestimmten Wert überschreitet, beispielsweise 10 V. Die Kennungen werden an den oben genannten Adressen gelesen und ohne Berücksichtigung der A9-Ziffer gesetzt. Diese Methode wird normalerweise in Universalprogrammierern verwendet.

AC3 der meisten FLASH-Speicherchips akzeptiert Befehle, die gemäß dem sogenannten JEDEC-Standard ausgegeben werden, obwohl es Ausnahmen gibt. Manchmal wird bei der Aufrüstung von Mikroschaltungen deren Befehlssystem durch Standardcodekombinationen ergänzt, wobei jedoch die alten Befehle beibehalten werden (dies ist notwendig, damit die aufgerüsteten Quarze in zuvor veröffentlichten Geräten funktionieren können). Intel verwendet ein eigenes Befehlssystem.

Bevor wir uns die Befehle im Detail ansehen, erzählen wir Ihnen etwas über den Anschluss von FLASH-Chips. Mikroschaltungen desselben Typs werden normalerweise in mehreren Gehäusetypen hergestellt, die sich in Position, Rastermaß und Anzahl der Pins unterscheiden. Oft sind „Spiegel“-Optionen vorgesehen, mit denen Sie Mikroschaltungen auf jeder Seite der Platine installieren können, ohne die Topologie der gedruckten Leiter zu ändern.

Die Pin-Nummern in den Diagrammen unten sind Standard für 512-KB-Speicherchips in den gängigsten 32-Pin-PLCC- und PDIP-Gehäusen. Die „Pinbelegung“ kleinerer Mikroschaltungen ist ähnlich, aber die Pins der höchstwertigen Bits sind nicht verbunden (Beim Am29F010 sind beispielsweise das 30. und 1. Bit frei).

Eine Schaltung ähnlich der in Abb. 1 werden verwendet, wenn das Löschen und Schreiben von Daten erforderlich ist, ohne den Chip aus dem Mikroprozessorsystem zu entfernen.

Es wird davon ausgegangen, dass der Systemdatenbus 16 Bit groß ist und die Adressen 32 Bit groß sind. Dem ROM werden 29 KB Adressraum zugewiesen, der Rest kann vom RAM belegt werden. Da die Speicherkapazität des Am040F512 XNUMX KB beträgt, ist ein FLASH-Speicherseitenregister vorgesehen, das die höherwertigen Bits der Adresse steuert. Zum Lesen und Schreiben von Daten können Sie die folgenden einfachen Verfahren verwenden (in Pascal geschrieben):

Wenn Sie einen FLASH-Chip außerhalb des Geräts programmieren müssen, in dem er funktionieren soll, können Sie ihn an einen PC anschließen. Am einfachsten geht das, indem Sie eine zusätzliche parallele Ein-/Ausgabekarte in Ihren Computer einbauen. Solche Platinen, beispielsweise PCL-731 von Advantech, DIO-48 von IOP DAS oder PET-48DIO von ADLink, sind im Handel erhältlich. Sie verfügen in der Regel über 48 Ein-/Ausgänge und funktionieren ähnlich wie zwei 8255-Mikroschaltungen (KR5806V55A) im O-Modus mit den gleichen Informations- und Steueranschlüssen, auch wenn sie in Wirklichkeit keine solchen Mikroschaltungen enthalten. Bei Bedarf kann eine parallele Ein-/Ausgabekarte unabhängig hergestellt werden, indem der Artikel von N. Vasilyev „PC Interface Expander“ (Radio, 1994, Nr. 6, S. 20, 21) verwendet wird.

Zum Lesen oder Programmieren wird der FLASH-Chip gemäß dem in Abb. gezeigten Diagramm mit den Ports zweier 8255-Chips verbunden. 2. Der RA-Port des ersten von ihnen dient der Dateneingabe/-ausgabe, einzelne Bits seines PC-Ports werden zur Ausgabe der Steuersignale CE, OE und WE verwendet. Die Ports PA, PB und PC des zweiten bilden den 24-Bit-Adressbus des FLASH-Chips. Wenn eine geringere Bitbreite dieses Busses ausreicht, wird die entsprechende Anzahl höherwertiger Bits des PC-Ports nicht angeschlossen.

I/O-Board-Ports und Hilfskonstanten müssen im Programm wie folgt beschrieben werden:

Und die oben beschriebenen Prozeduren für den Zugriff auf den FLASH-Speicher werden durch die folgenden ersetzt:

м

Nun geht es eigentlich um die Programmierung von FLASH-Chips. Gemäß dem JEDEC-Standard beginnt jeder Befehl mit dem Schreiben des OAAN-Codes an der Adresse 5555H. Als nächstes notieren Sie den Code 55H an der Adresse 2AAAN und schließlich den Code der ausgeführten Operation an der Adresse 5555N.

Wenn wir beispielsweise vom Befehl 40H sprechen, meinen wir eine solche Sequenz mit der Nummer 40H als Operationscode.

Nach dem Einschalten wechselt jeder FLASH-Chip automatisch in diesen Modus und es ist nicht erforderlich, ihn mit einem speziellen Befehl zu installieren. Es ist jedoch erforderlich, z. B. aus dem Modus zum Lesen von Identifikatoren zurückzukehren. Dies wird manchmal als Reset- oder Initial-Setup-Befehl bezeichnet. Um einige Mikroschaltungen in den Array-Lesemodus zu versetzen, reicht ein Schreibzyklus des 0F0H-Codes an einer beliebigen Adresse aus.

Der auf den Befehl 0A0H folgende Schreibzyklus enthält die Adresse der programmierbaren Zelle und den darauf geschriebenen Code. In den meisten Fällen erfordert das Schreiben in jede Zelle einen separaten Befehl. Beachten Sie, dass Sie in den Bits einer programmierbaren Zelle wie bei herkömmlichen EEPROMs nur logische Einsen durch Nullen ersetzen können. Um den umgekehrten Vorgang durchzuführen, ist es normalerweise erforderlich, zunächst den Inhalt eines gesamten Speicherblocks zu löschen und die Programmierung aller seiner Zellen zu wiederholen. Bitte beachten Sie, dass AC3 vieler FLASH-Chips solche Fehler nicht erkennt und einen erfolgreichen Vorgang meldet. Um eine korrekte Programmierung sicherzustellen, ist ein Testauslesen der aufgezeichneten Daten erforderlich.

In Winbond-Mikroschaltungen mit Blöcken von 128 Byte Größe geht dem Programmieren einer Zelle automatisch das Löschen aller Daten in dem Block voraus, der sie enthält. Daher sollten Sie den Block immer zuerst ins RAM kopieren, die notwendigen Änderungen an der Kopie vornehmen und alle 128 Bytes erneut programmieren. Nachdem AC3 den OAON-Befehl, die Adresse und das erste der programmierbaren Bytes erhalten hat, trägt er diese in den internen Puffer des Blocks ein und wartet 200 μs, ohne mit der Programmierung zu beginnen. Wenn in dieser Zeit ein weiterer OAON-Befehl und ein weiteres Byte empfangen werden, wandert dieses ebenfalls in den Puffer und AC3 wartet weitere 300 μs auf das nächste. Das geht bis dahin so weiter. bis alle 128 Bytes des Blocks empfangen wurden oder die Pause den zulässigen Wert (300 µs) überschreitet. Danach löscht AC3 den Block und beginnt mit der eigentlichen Programmierung. Die Reihenfolge, in der Daten für verschiedene Zellen im Block in den Puffer geschrieben werden, spielt keine Rolle, aber die Zellen, für die keine Daten empfangen wurden, enthalten nach der Programmierung den Code 0FFH.

Es gibt zwei Möglichkeiten, Programmierdaten auf einen solchen Chip zu schreiben. Der erste von ihnen (üblich für andere) heißt softwaregeschützt. Jedem geschriebenen Byte muss ein OAON-Befehl vorangehen. Der Schutz kann jedoch durch die Ausgabe der sequentiellen Befehle 80H und 20H deaktiviert werden.

Danach gelangt ein an eine beliebige Adresse geschriebenes Byte in den internen Puffer der Mikroschaltung, und dieser Modus bleibt auch nach dem Aus- und Einschalten der Stromversorgung erhalten. Sie überlassen es dem Kommando der UN.

Um Daten auf eine Intel FLASH-Mikroschaltung zu schreiben, stehen zwei äquivalente Befehlsoptionen zur Verfügung. Zunächst wird an einer beliebigen Adresse einer der Codes 40H oder 10H notiert. und dann - der programmierbare Code an der gewünschten Adresse.

Befehl „Gesamten Speicher löschen“..

Der AC3 FLASH-Chip beginnt diesen wichtigen Vorgang, indem er eine Folge von zwei Befehlen empfängt – 80H und 10H.

Intel-Chips erhalten einen ähnlichen Befehl, indem sie die Codes 20H und 0D0H an beliebige Adressen schreiben

Das Löschen des gesamten Speicherinhalts dauert einige zehn Millisekunden bis mehrere Sekunden. Einige Mikroschaltungen bieten die Möglichkeit, diesen Vorgang anzuhalten, indem sie den OVON-Code an eine beliebige Adresse schreiben. Nach dem Schreiben (auch an einer beliebigen Adresse) des Codes 30H (für Intel-Chips - ODOH) wird das Löschen fortgesetzt.

Befehl Block löschen. Um den Inhalt eines Speicherblocks zu löschen, müssen zwei Befehle ausgegeben werden. Der erste von ihnen ist 80Н, der zweite unterscheidet sich dadurch, dass sein Operationscode 90Н nicht an die Adresse 5555Н geschrieben werden muss, sondern an die Adresse einer beliebigen Zelle des gelöschten Blocks.

Befehl „Kennungen lesen“.. Um in diesen Modus zu wechseln, verwenden Sie den Befehl 90H, manchmal ist jedoch eine Folge von zwei Befehlen erforderlich – 80H und 60H.

Bei Intel-Mikroschaltungen reicht es aus, den 90H-Code an eine beliebige Adresse zu schreiben. Verlassen Sie diesen Modus mit dem oben beschriebenen Befehl „Datenarray lesen“.

Wie kann ich die Ausführung langer Programmier- und Löschbefehle überprüfen? Am einfachsten ist es, die Referenzdaten der Mikroschaltung zu nutzen und für die Software-Generierung der entsprechenden Verzögerungen zu sorgen. Die tatsächliche Ausführungszeit bestimmter Operationen weicht jedoch häufig erheblich von den Referenzwerten ab, selbst für verschiedene Zellen und Blöcke derselben Mikroschaltung, und nimmt mit zunehmender „Alterung“ der Mikroschaltung zu.

Durch Auslesen des AC3-Statusregisters können Sie genau herausfinden, wann ein Vorgang endet. Der FLASH-Chip gibt den Inhalt dieses Registers immer dann an den Datenbus aus, wenn AC3 mit der Durchführung des Lösch- oder Programmiervorgangs beschäftigt ist. Es gibt zwei Anzeichen dafür, dass der Vorgang nicht abgeschlossen ist. Der erste besteht darin, dass der Wert von Bit D7 des Statusregisters invers zu dem Wert ist, der in dasselbe Bit der Speicherzelle geschrieben wird (beim Löschen ist er gleich 0). Nach Abschluss des Vorgangs stimmt es mit dem aufgezeichneten überein. Das zweite Zeichen ist das „Flackern“ von Bit D6 (sein Wert ändert sich mit jedem Lesevorgang des Registers, bis die Operation abgeschlossen ist).

In der Regel werden beide Zeichen beobachtet, es gibt jedoch Ausnahmen. In Intel-Mikroschaltungen gibt es beispielsweise kein „Flackern“-Bit und Bit D7 ist während der Programmierung 0, unabhängig vom geschriebenen Code. Das Ende des Vorgangs wird in diesem Fall durch D7=1 angezeigt. In Mikroschaltungen mit Blockaufzeichnung (z. B. von Winbond) ist der Wert von Bit D7 umgekehrt zum gleichen Bit wie der letzte in den Blockpuffer geschriebene Code -

Normalerweise kehrt der FLASH-Chip nach Abschluss des Programmierens oder Löschens automatisch in den Datenarray-Lesemodus zurück, Intel-Chips benötigen hierfür jedoch einen entsprechenden Befehl.

Wenn der Chip fehlerhaft ist, wird der lange Vorgang möglicherweise nie abgeschlossen, was dazu führt, dass der Programmiercomputer einfriert. Um dies zu vermeiden, ist es notwendig, die Dauer von Lösch- und Programmiervorgängen zu überprüfen und bei Überschreitung eines sinnvollen Wertes einen „Notfall“-Ausgang mit Fehlermeldung bereitzustellen.

Manchmal, insbesondere wenn mit Mikroschaltungen gearbeitet wird, die nahezu die maximale Anzahl an Lösch-/Programmierzyklen durchlaufen haben, ist es sinnvoll, einen erfolglosen Vorgang mehrmals zu wiederholen. Einer der Versuche könnte erfolgreich sein.

Abschließend noch ein paar Worte zu Dienstprogrammen, mit denen Sie das im FLASH-Speicher gespeicherte BIOS Ihres Computers aktualisieren können. Sie werden für jede Art von Systemplatine (Motherboard) entwickelt und berücksichtigen die Besonderheiten der Verbindung von FLASH-Chips mit Systembussen. Daher führen Versuche, das BIOS eines anderen Board-Typs mit einem Dienstprogramm zu aktualisieren, das für einen anderen Board-Typ entwickelt wurde, häufig zu einem vollständigen Ausfall des Computers.

Das Dienstprogramm wird als normales Anwendungsprogramm gestartet und gibt als Parameter den Namen der Datei an, die Codes für die neue BIOS-Version enthält. Es liest diese Datei und erstellt ein Datenarray im RAM, das in den FLASH-Speicher geschrieben werden soll. Dann bestimmt es die Art des Chips und wählt die geeigneten Verfahren aus, um damit zu arbeiten. Danach beginnt das Löschen alter Daten und das Schreiben neuer Daten. Während dieser Zeit kann das Programm keine BIOS-Funktionen nutzen, einschließlich der Anzeige von Informationen auf dem Bildschirm oder der Abfrage der Tastatur. Sollte dies dennoch erforderlich sein, sind die notwendigen Unterprogramme im Dienstprogramm selbst enthalten. Nachdem die Programmierung abgeschlossen und auf Korrektheit überprüft wurde, startet der Computer normalerweise neu und beginnt ein neues Leben mit dem aktualisierten BIOS.

Autor: A. Dolgiy, Moskau

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