应用笔记 5042

嵌入式系统中非易失、不可复位计数器的实现


摘要 : 出于质保原因,希望能够对特定的事件进行计数,例如上电次数、工作时间、硬(按钮)复位和超时。尽管数字计数器很容易搭建,但使其做到非易失、不可复位并非轻而易举。本文介绍如何利用常见串行EEPROM的EPROM仿真模式及编码机制解决这一问题。

类似文章于2011年5月15日发表在EE Times杂志。

设计目标

有些应用中,考虑到质保期的要求,希望能够对特定的事件进行计数和记录,例如上电次数、工作时间、硬(按钮)复位和超时。传统的电子计数器通常由双稳态多谐振荡器组成,采用二进制编码,如图1所示。当全部触发器复位时,则达到最大计数值,计数器规模由核查期限内允许发生某些事件的最大次数决定。

Bit Number
n+1
n
...
8
7
6
5
4
3
2
1
2n
2n-1
...
27
26
25
24
23
22
21
20
图1. 二进制码中,下一位比上一位位值翻倍。

定位需求

尽管基于触发器的计数器很容易搭建,但它存在一个缺点。当达到计数限值时,计数器反转为零(自动复位)。工作状态也是易失的—需要电源维持其计数状态。第一个问题可通过达到限值时冻结计数器解决;也可以通过安装电池维持计数器的供电,从而解决第二个问题。但这些措施在实际应用中可能无法接受,因为增加了成本,且工作时间有限。

一种替代方案是:将计数值备份在EEPROM或其它形式的非易失(NV)存储器中。下次上电时,将该NV存储器中储存的数值加载到计数器。然而,除非NV存储器嵌入另一个芯片,例如微控制器或FPGA,否则存储器内容并不安全,因为存储器芯片很容易拆除、重新编程(复位),然后重新安装到电路板上。因此,这种方法不满足不可复位的要求。

传统设计

EPROM是另一种不需要电池的非易失存储器。EPROM在上世纪70年代随着微处理器的出现得到广泛使用。出厂时,EPROM的全部字节为FFh。通过将某一位从1 (擦除)置为0 (编程)来储存数据;编程需要12V至13V脉冲电压。加载新数据之前,必须用高强度紫外线通过封装上的窗口照射芯片,从而擦除整个存储器。一次性编程(OTP) EPROM器件没有窗口,因此不可擦除。由于这些不便之处,EPROM的主导地位逐渐被EEPROM和高密度闪存所取代,后两者的工作和编程电压为5V或更低。虽然如此,将OTP EPROM一次可编程(1至0)及不可擦除的特点与现代EEPROM技术相结合,能够得到EPROM仿真模式的新特性。EPROM仿真模式是实现非易失、不可复位计数器的关键技术。

EPROM仿真模式

串口EEPROM的一个常用功能是充当写入页的缓存器,能够一次编程整个存储器页。收到写命令时,系统自动装载包含寻址存储器数据的页缓存器内容。对于EPROM仿真模式,按照移位寄存器写缓存器(图2)。输入新数据(D-IN)送到一个“与”门,在进入缓存器(S-IN)之前将其与缓存器数据(S-OUT)相组合。因此,“与”门确保存储器位在置为0后不会变为1。经过一个完整的页操作周期后,缓存器的数据再次与存储器页中的数据对齐。随后可以开始一个写周期,将整个缓存器内容复制到非易失EEPROM。

图2. EPROM仿真将新数据与已有数据位相“与”,写回到存储器。
图2. EPROM仿真将新数据与已有数据位相“与”,写回到存储器。

EPROM计数

由于EPROM位只能在一个方向改变,不支持传统的计数器设计思路,而是将整个存储器阵列视为一个n位的单体。初始状态下,n位存储单元均未编程(为1)。为了对事件计数,必须将未编程的位更改为0。可以简单地随机选择下一个编程位,但图3所示方法更容易实现。该方法从最低有效位开始依次计数,直到对一个字节的所有位进行编程。然后再逐位编程下一个字节,依此循环。EPROM仿真模式下,1024位存储器芯片可以对1024个事件计数。

Count
Value
Hex
Code
Bit Number
8
7
6
5
4
3
2
1
0
FFh
1
1
1
1
1
1
1
1
1
FEh
1
1
1
1
1
1
1
0
2
FCh
1
1
1
1
1
1
0
0
3
F8h
1
1
1
1
1
0
0
0
4
F0h
1
1
1
1
0
0
0
0
5
E0h
1
1
1
0
0
0
0
0
6
C0h
1
1
0
0
0
0
0
0
7
80h
1
0
0
0
0
0
0
0
8
00h
0
0
0
0
0
0
0
0
图3. EPROM计数要求对每一位设置相同值。

支持EPROM仿真模式的芯片

尽管EPROM仿真模式容易实现,但在本文发表时只有Maxim提供此类产品,提供存储容量为1Kb (DS2431DS28CN01DS28E01)和20Kb (DS28EC20)的存储器件,所有这些芯片都带有唯一序列号。除DS2431和DS28EC20外,具有EPROM仿真模式的产品均为安全存储器;只有产生器件密钥信息认证码的主控制器才拥有写权限。

流程图

以DS2431存储器芯片为例说明,将其存储器页0配置为在EPROM仿真模式下实现256位计数。采用64位中间结果存储器作为中间存储器,能够以8字节数据块更新32字节页。图4所示算法检测第一个具有未编程位的数据块,递增计数值,然后将数据块写回EEPROM。

图4. 该算法递增32字节存储器页的计数器。
图4. 该算法递增32字节存储器页的计数器。

结论

具有EPROM仿真模式的EEPROM是实现非易失、不可复位计数器的首选产品。存储器芯片的序列号可以用来检测篡改操作—即用较低计数值的芯片代替合法存储器芯片的动作。为防止未经授权增大计数值,应采用需要消息认证码才允许写操作的安全存储器。



参考文献
Maxim数据资料:DS2431DS28EC20DS28E01DS28CN01