FM3164/FM31256：集成F - RAM的处理器伴侣芯片深度剖析

在电子设计领域，一款功能强大且高度集成的芯片往往能为项目带来诸多便利。今天，我们就来深入探讨Cypress（现属Infineon）的FM3164/FM31256芯片，它是一款64 - Kbit/256 - Kbit集成处理器伴侣芯片，集成了F - RAM，具备多种实用功能。

文件下载：FM3164-GTR.pdf

芯片概述

FM3164/FM31256将串行非易失性RAM、实时时钟（RTC）和处理器伴侣功能集成于一体。其处理器伴侣部分是一个高度集成的外设，包含处理器监控器、用于早期电源故障警告的比较器、非易失性事件计数器以及64位序列号等。从系统角度看，它就像两个具有唯一ID的独立设备，一个是内存设备，另一个是包含实时时钟和其他功能的伴侣设备。

芯片特性亮点

F - RAM内存特性

• 大容量与高耐用性：提供64 - Kbit/256 - Kbit的铁电随机存取存储器（F - RAM），逻辑组织为8K × 8（FM3164）/32K × 8（FM31256）。具有高达100万亿（(10^{14})）次的读写耐力，数据可保留151年，无需电池备份即可真正实现非易失性存储，避免了其他非易失性存储器带来的复杂性和系统级可靠性问题。
• 无延迟写入：采用NoDelay™写入技术，读写速度与(I^{2}C)总线速度相同，写入操作无延迟，相比EEPROM，其写入周期多出1亿倍。
• 软件写保护：可通过软件对内存阵列进行写保护，由处理器伴侣区域的两个位（WP1、WP0）控制保护设置，根据设置不同，可对不同范围的地址进行写保护。

高集成功能

• 实时时钟（RTC）：以BCD格式提供时间和日期信息，可由外部备份电压源（电池或电容器）永久供电。使用常见的32.768 kHz晶体（6 pF），具备软件校准功能，能精确调整计时精度。
• 处理器伴侣功能：包含低(V_{DD})复位、可编程看门狗定时器、电池备份事件计数器、用于早期电源故障检测的比较器以及64位序列号等功能。
  • 低(V_{DD})复位：当(V{DD})低于可编程阈值时，复位引脚（RST）将被拉低，在(V{DD})上升到阈值以上后，RST将保持低电平至少100 ms，确保系统在可靠的(V_{DD})水平下进行复位。
  • 可编程看门狗定时器：可通过5位非易失性寄存器将超时时间从100 ms编程到3秒，以100 ms为增量。当看门狗定时器启用且超时未重启时，将驱动RST信号有效。
  • 事件计数器：提供两个电池备份事件计数器，输入引脚CNT1和CNT2为可编程边缘检测器，每个时钟对应一个16位计数器。可通过设置相关控制位实现计数器的级联，形成一个32位计数器。
  • 64位序列号：提供一个可写入64位序列号的内存位置，用户设置序列号后可将其锁定，锁定后值不可更改，但仍可读取。

其他特性

• 快速(I^{2}C)接口：支持高达1 - MHz的频率，同时支持100 kHz和400 kHz的传统时序。RTC和监控器通过(I^{2}C)接口控制，设备选择引脚可支持多达4个内存设备。
• 低功耗：1 MHz时的活动电流为1.5 mA，待机电流为150 μA。
• 宽工作电压和温度范围：工作电压为(V_{DD}=2.7 ~V)至5.5 V，工业温度范围为–40 °C至 + 85 °C。
• 封装与环保：采用14引脚小外形集成电路（SOIC）封装，符合有害物质限制（RoHS）标准。

功能详细解析

引脚定义

芯片的引脚定义明确，每个引脚都有其特定的功能。例如，A1 - A0用于设备选择地址，SDA和SCL是(I^{2}C)接口的串行数据/地址和串行时钟引脚，CNT1和CNT2是事件计数器输入引脚，X1和X2用于连接32.768 kHz晶体等。在设计电路时，需要根据引脚功能合理连接，确保芯片正常工作。

内存架构

FM3164/FM31256采用两字节寻址方式，与独立内存设备软件兼容。内存阵列基于F - RAM技术，可像RAM一样进行读写操作，且写入无延迟。通过软件可对内存进行写保护，根据WP1和WP0的设置，可对不同范围的地址进行保护。

实时时钟操作

RTC由振荡器、时钟分频器和寄存器系统组成，可提供秒级分辨率的时间信息。通过设置R和W位，可实现时间的读取和写入操作。在读取时间时，将R位从‘0’设置为‘1’，可将时间信息从核心传输到用户寄存器；在写入时间时，将W位设置为‘1’可锁定用户寄存器，清除为‘0’时将用户寄存器的值加载到时间计数器中。

处理器监控器

处理器监控器提供电源故障检测和看门狗定时器功能。当(V_{DD})低于编程的跳闸点时，RST引脚将被拉低，确保系统在电源故障或软件锁定时进行复位。看门狗定时器可通过软件编程设置超时时间，当定时器超时且未重启时，将驱动RST信号有效。

早期电源故障比较器

比较器可用于创建电源故障中断（NMI），将PFI引脚连接到未调节的电源，通过与板载1.2 V参考电压比较，当PFI输入电压低于阈值时，CAL/PFO引脚将被拉低。该比较器具有100 mV（最大）的滞后，可减少噪声敏感性。

事件计数器

芯片提供两个电池备份事件计数器，CNT1和CNT2输入引脚可检测上升或下降沿，计数器值存储在相应的寄存器中。通过设置控制位，可实现计数器的级联和极性设置。

序列号

64位序列号存储在特定的寄存器中，用户可写入序列号并锁定，锁定后序列号不可更改，但系统仍可读取。

(I^{2}C)接口通信

FM3164/FM31256采用行业标准的(I^{2}C)总线，包含两个逻辑设备，每个设备有独立的从地址。通信过程由START、STOP、数据位和确认等状态控制。在数据传输时，SCL信号为高时进行数据/地址传输，SDA信号在SCL为高时应保持稳定。确认操作在第8位数据传输后进行，接收器通过拉低SDA信号表示确认。

内存操作

• 写入操作：写入操作从发送从地址和内存地址开始，总线主设备将数据字节发送到内存，内存生成确认条件。F - RAM写入无有效延迟，写入操作完成后可立即进行其他操作。
• 读取操作：分为当前地址读取和选择性地址读取。当前地址读取使用内部地址锁存器提供的地址，可进行顺序读取；选择性地址读取通过先进行写入操作设置内部地址，然后进行读取操作。

RTC/伴侣操作

RTC和伴侣的读写操作与内存操作类似，但使用不同的设备ID，且只需要一个字节的地址。

电气特性与参数

最大额定值

芯片有一系列最大额定值限制，如温度、直流输出电流、静电放电电压等。超过这些额定值可能会缩短芯片的使用寿命。

工作范围

工作温度范围为–40 °C至 + 85 °C，工作电压为2.7 V至5.5 V。

直流电气特性

包括电源电压、平均(V_{DD})电流、待机电流、RTC备份电压和电流等参数，这些参数在不同的测试条件下有不同的取值。

数据保留和耐力

在不同温度下，数据保留时间不同，最高可达151年。读写耐力高达(10^{14})次循环。

电容和热阻

输入/输出引脚电容和晶体引脚电容有相应的典型值和最大值，热阻参数也有明确规定。

交流测试条件和开关特性

规定了输入脉冲电平、上升和下降时间、输入和输出定时参考电平、输出负载电容等测试条件，以及(SCL)时钟频率、启动和停止条件设置时间、时钟高低电平周期等开关特性参数。

设计建议

布局建议

为减少RTC时钟误差，X1和X2晶体引脚周围应放置接地的保护环，SDA和SCL走线应远离X1/X2焊盘，X1和X2走线长度应小于5 mm，建议使用背面或内层的接地平面。

备份电源

实时时钟和日历应永久供电，当(V{DD})低于2.5 V时，RTC和事件计数器将切换到(V{BAK})备份电源。(V_{BAK})引脚可提供涓流充电电流，方便使用电容器备份。

校准

通过设置寄存器00h中的CAL位为‘1’，时钟进入校准模式，CAL/PFO输出引脚将输出512 Hz方波。根据测量的频率误差，将相应的校正值写入校准寄存器，可实现高精度计时。

总结

FM3164/FM31256芯片以其高度集成的功能、高性能的F - RAM内存、可靠的实时时钟和处理器伴侣功能，为电子工程师提供了一个强大的解决方案。在设计过程中，我们需要充分了解芯片的特性和参数，合理布局电路，确保芯片在各种环境下稳定工作。同时，对于芯片的使用，也需要遵循相关的安全和规范要求，避免出现不必要的问题。你在使用这款芯片的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。