嵌入式系統(tǒng)中非易失、不可復(fù)位計(jì)數(shù)器的實(shí)現(xiàn)
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本文介紹如何利用常見串行EEPROM的EPROM仿真模式及編碼機(jī)制解決這一問題。
設(shè)計(jì)目標(biāo)
有些應(yīng)用中，考慮到質(zhì)保期的要求，希望能夠?qū)μ囟ǖ氖录M(jìn)行計(jì)數(shù)和記錄，例如上電次數(shù)、工作時(shí)間、硬(按鈕)復(fù)位和超時(shí)。傳統(tǒng)的電子計(jì)數(shù)器通常由雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器組成，采用二進(jìn)制編碼，如圖1所示。當(dāng)全部觸發(fā)器復(fù)位時(shí)，則達(dá)到最大計(jì)數(shù)值，計(jì)數(shù)器規(guī)模由核查期限內(nèi)允許發(fā)生某些事件的最大次數(shù)決定。
| Bit Number | ||||||||||
| n+1 | n | ... | 8 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 |
| 2n | 2n-1 | ... | 27 | 26 | 25 | 24 | 23 | 22 | 21 | 20 |
圖1. 二進(jìn)制碼中，下一位比上一位位值翻倍。
定位需求
盡管基于觸發(fā)器的計(jì)數(shù)器很容易搭建，但它存在一個(gè)缺點(diǎn)。當(dāng)達(dá)到計(jì)數(shù)限值時(shí)，計(jì)數(shù)器反轉(zhuǎn)為零(自動(dòng)復(fù)位)。工作狀態(tài)也是易失的—需要電源維持其計(jì)數(shù)狀態(tài)。第一個(gè)問題可通過達(dá)到限值時(shí)凍結(jié)計(jì)數(shù)器解決；也可以通過安裝電池維持計(jì)數(shù)器的供電，從而解決第二個(gè)問題。但這些措施在實(shí)際應(yīng)用中可能無法接受，因?yàn)樵黾恿顺杀荆夜ぷ鲿r(shí)間有限。
一種替代方案是：將計(jì)數(shù)值備份在EEPROM或其它形式的非易失(NV)存儲(chǔ)器中。下次上電時(shí)，將該NV存儲(chǔ)器中儲(chǔ)存的數(shù)值加載到計(jì)數(shù)器。然而，除非NV存儲(chǔ)器嵌入另一個(gè)芯片，例如微控制器或FPGA，否則存儲(chǔ)器內(nèi)容并不安全，因?yàn)榇鎯?chǔ)器芯片很容易拆除、重新編程(復(fù)位)，然后重新安裝到電路板上。因此，這種方法不滿足不可復(fù)位的要求。
傳統(tǒng)設(shè)計(jì)
EPROM是另一種不需要電池的非易失存儲(chǔ)器。EPROM在上世紀(jì)70年代隨著微處理器的出現(xiàn)得到廣泛使用。出廠時(shí)，EPROM的全部字節(jié)為FFh。通過將某一位從1 (擦除)置為0 (編程)來儲(chǔ)存數(shù)據(jù)；編程需要12V至13V脈沖電壓。加載新數(shù)據(jù)之前，必須用高強(qiáng)度紫外線通過封裝上的窗口照射芯片，從而擦除整個(gè)存儲(chǔ)器。一次性編程(OTP) EPROM器件沒有窗口，因此不可擦除。由于這些不便之處，EPROM的主導(dǎo)地位逐漸被EEPROM和高密度閃存所取代，后兩者的工作和編程電壓為5V或更低。雖然如此，將OTP EPROM一次可編程(1至0)及不可擦除的特點(diǎn)與現(xiàn)代EEPROM技術(shù)相結(jié)合，能夠得到EPROM仿真模式的新特性。EPROM仿真模式是實(shí)現(xiàn)非易失、不可復(fù)位計(jì)數(shù)器的關(guān)鍵技術(shù)。
EPROM仿真模式
串口EEPROM的一個(gè)常用功能是充當(dāng)寫入頁的緩存器，能夠一次編程整個(gè)存儲(chǔ)器頁。收到寫命令時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)裝載包含尋址存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)的頁緩存器內(nèi)容。對(duì)于EPROM仿真模式，按照移位寄存器寫緩存器(圖2)。輸入新數(shù)據(jù)(D-IN)送到一個(gè)“與”門，在進(jìn)入緩存器(S-IN)之前將其與緩存器數(shù)據(jù)(S-OUT)相組合。因此，“與”門確保存儲(chǔ)器位在置為0后不會(huì)變?yōu)?。經(jīng)過一個(gè)完整的頁操作周期后，緩存器的數(shù)據(jù)再次與存儲(chǔ)器頁中的數(shù)據(jù)對(duì)齊。隨后可以開始一個(gè)寫周期，將整個(gè)緩存器內(nèi)容復(fù)制到非易失EEPROM。
圖2. EPROM仿真將新數(shù)據(jù)與已有數(shù)據(jù)位相“與”，寫回到存儲(chǔ)器。
EPROM計(jì)數(shù)
由于EPROM位只能在一個(gè)方向改變，不支持傳統(tǒng)的計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)思路，而是將整個(gè)存儲(chǔ)器陣列視為一個(gè)n位的單體。初始狀態(tài)下，n位存儲(chǔ)單元均未編程(為1)。為了對(duì)事件計(jì)數(shù)，必須將未編程的位更改為0?？梢院?jiǎn)單地隨機(jī)選擇下一個(gè)編程位，但圖3所示方法更容易實(shí)現(xiàn)。該方法從最低有效位開始依次計(jì)數(shù)，直到對(duì)一個(gè)字節(jié)的所有位進(jìn)行編程。然后再逐位編程下一個(gè)字節(jié)，依此循環(huán)。EPROM仿真模式下，1024位存儲(chǔ)器芯片可以對(duì)1024個(gè)事件計(jì)數(shù)。
| 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 |
圖3. EPROM計(jì)數(shù)要求對(duì)每一位設(shè)置相同值。
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盡管EPROM仿真模式容易實(shí)現(xiàn)，但在本文發(fā)表時(shí)只有Maxim提供此類產(chǎn)品，提供存儲(chǔ)容量為1Kb (DS2431、DS28CN01和DS28E01)和20Kb (DS28EC20)的存儲(chǔ)器件，所有這些芯片都帶有唯一序列號(hào)。除DS2431和DS28EC20外，具有EPROM仿真模式的產(chǎn)品均為安全存儲(chǔ)器；只有產(chǎn)生器件密鑰信息認(rèn)證碼的主控制器才擁有寫權(quán)限。
流程圖
以DS2431存儲(chǔ)器芯片為例說明，將其存儲(chǔ)器頁0配置為在EPROM仿真模式下實(shí)現(xiàn)256位計(jì)數(shù)。采用64位中間結(jié)果存儲(chǔ)器作為中間存儲(chǔ)器，能夠以8字節(jié)數(shù)據(jù)塊更新32字節(jié)頁。圖4所示算法檢測(cè)第一個(gè)具有未編程位的數(shù)據(jù)塊，遞增計(jì)數(shù)值，然后將數(shù)據(jù)塊寫回EEPROM。
圖4. 該算法遞增32字節(jié)存儲(chǔ)器頁的計(jì)數(shù)器。
結(jié)論
具有EPROM仿真模式的EEPROM是實(shí)現(xiàn)非易失、不可復(fù)位計(jì)數(shù)器的首選產(chǎn)品。存儲(chǔ)器芯片的序列號(hào)可以用來檢測(cè)篡改操作—即用較低計(jì)數(shù)值的芯片代替合法存儲(chǔ)器芯片的動(dòng)作。為防止未經(jīng)授權(quán)增大計(jì)數(shù)值，應(yīng)采用需要消息認(rèn)證碼才允許寫操作的安全存儲(chǔ)器。
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