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無線電子工学および電気工学の百科事典 フラッシュメモリチップのプログラミング。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
無線電子工学と電気工学の百科事典 / マイクロコントローラー FLASH技術を使用して作られた電気的データ消去機能を備えた再プログラム可能な永久メモリマイクロ回路は、他のタイプの不揮発性記憶装置に取って代わり、電子技術およびコンピュータ技術において強い地位を占めています。 その主な利点は、チップをプリント基板から外したり、パネルから取り外すことなく、「システム内で」再プログラミングできることです。 許容可能な再プログラミングサイクル数が多いため、そのような超小型回路上に数十メガバイトの容量を持つ「フラッシュディスク」を構築することができます。これは、可動部品が完全に存在しない従来のハードまたはフロッピーディスクドライブとは異なります。 その結果、耐久性に優れ、車両やその他の移動物体などの高振動環境でも動作できます。 公開された記事は、フラッシュ メモリ チップのプログラミングに特化しています。 フラッシュ メモリ チップは、チップ上に直接組み込まれた「プログラマ」、つまり消去および書き込みマシン (AC3) が存在する点で他のタイプの ROM と異なります。 これにより、プログラミングプロセスにおいて、特定のパルスシーケンスを形成するために、マイクロ回路の出力に増加した電圧を印加する必要がなくなります。 AC3 はこれらすべてをユーザーに代わって独立して気づかれないうちに実行します。ユーザーは適切なコマンドを使用してセルのアドレスとそこに書き込まれるコードを報告し、操作が完了するのを待つだけで済みます。 多くの場合、時間のかかる操作 (データ ブロックの消去など) を一時停止し、メモリの別の領域から必要な情報を読み取って、続行することができます。 現在、多くの企業 (最も有名なのは Intel、AMD、Atmel、Winbond です) が最大 4 MB までの幅広いフラッシュ メモリ チップを製造しています。 外部インターフェイスはパラレルまたはシリアルのいずれかです。 シリアル インターフェイスを備えたチップは、主に小型または特殊なデバイスに少量のデータを保存することを目的としています。たとえば、ラジオ受信機の固定設定や家電製品を操作するためのプログラムを保存する場合などです。 次に、「並列」FLASH マイクロ回路について説明します。これは、プロセッサとのインターフェイスの物理的および論理的デバイスの点で、RAM と同様に書き込み可能であることを除いて、従来の ROM と何ら変わりません。入力。 最新のコンピューターの BIOS コードはこれらのマイクロ回路に保存されています。 データ構成は 16 ビットまたは 70 ビットです。 多くの場合、特別に提供された出力を共通のワイヤまたは電源に接続することで選択できます。 アドレス バスとデータ バスに加えて、クリスタル セレクト (CE)、出力イネーブル (OE)、および書き込みイネーブル (WE) という 150 つの制御信号がマイクロ回路に供給されます。 後者は、チップをプログラムする必要がある場合のみです。 読み取りサイクルの最小期間は XNUMX...XNUMX ns です。 最初の FLASH マイクロ回路では、メモリ セルのアレイは 128 つのブロックであり、データはアレイ全体からのみ完全に消去できました。 最新のマイクロ回路の多くでは、メモリがブロックに分割されており、そのうちの 128 つのデータを消去しても、他のブロックに保存されているデータには影響しません。 ブロック サイズは、XNUMX バイトから XNUMX KB 以上まで非常に異なります。 ただし、データを読み取るときは、マイクロ回路のメモリ全体が XNUMX つのアレイと見なされ、それだけです。 物理的にブロックに分割されているかどうかは問題ではありません。 通常、ブロックは同じで等しいですが、異なる場合もあります。 たとえば、Intel の 28Fxxx シリーズ チップには、16 KB のいわゆるブート ブロックと、それぞれ 8 KB の 96 つのパラメータ ブロックがあります。 これに 128 KB のブロックが続き、メモリの残りは XNUMX KB のブロックで構成されます。 これらのブロックのプロパティは多少異なります。 ブートにはハードウェアの書き込みおよび消去保護があります。 これは、マイクロ回路の特別に提供された出力に適切な論理レベルを適用することによってオンになります。 パラメータ ブロックは、頻繁に変更されるデータを保存し、他のブロックよりも多くの消去/書き込みサイクルに耐えるように設計されています。 検討中のシリーズの各マイクロ回路は XNUMX つのバージョンで作られており、アドレス空間内のブロックの配置が異なります。 インデックス B (下) のマイクロ回路では、アドレス XNUMX から上に示した順序で配置されます。 T インデックス (上) の製品では、順序が逆になります (ブート - 上位アドレスの領域)。 現在製造されているフラッシュ メモリマイクロ回路は、2.7 ～ 5 V の公称電源電圧向けに設計されています。昇圧電圧 (12 V) はまったく必要ないか、一部の特別なモードでのみ必要です。 受動的（「非選択」）状態では、このようなマイクロ回路は電源からわずか 1 mA の電流を消費します（ほとんどの場合、3 分の XNUMX 未満）。 場合によっては、消費が無視できる特別なスリープ モードが提供されることがあります。 確かに、「スリープ状態」のマイクロ回路からデータを読み取ることは不可能ですが、それを「ウェイクアップ」する必要があります。 場合によっては数十マイクロ秒かかることもあります。 アクティブ モードで消費される電流は数十ミリアンペアであり、ACXNUMX が長時間の動作 (データ消去など) を実行するチップをパッシブ状態にすると、それが完了するまで電流は減少しません。 フラッシュメモリに保存されたデータは、特に電源のオン/オフ時のノイズや過渡現象の影響下での偶発的な変更から保護することに細心の注意が払われています。 ほとんどの場合、ハードウェア保護には 15 つのタイプがあります。 20つ目は。 3 つは、マイクロ回路が 1.5 ... 3.8 未満の持続時間の WE 回路のパルスに応答しないこと、XNUMX つ目は、OE 入力の論理レベルが低い場合、他の入力で信号操作が記録を引き起こす可能性がないことです。 XNUMXつ目はそれです。 供給電圧が特定のレベルを下回ると、ACXNUMX がオフになります。 さまざまなタイプのマイクロ回路の場合、シャットダウンしきい値は XNUMX ～ XNUMX V の範囲になります。 データ配列全体またはその一部の変更と消去を完全に禁止できる場合があります。 このような禁止を課したり解除したりするには、通常、「特別な」措置（たとえば、特定の端子に一時的に電圧を上昇させるなど）が必要です。 ソフトウェア保護も提供されます。 セルの内容を変更するには、従来の RAM のようにフラッシュ メモリだけでは十分ではありません。 XNUMXつのアドレスにXNUMXつのコードを書き込みます。 特定のアドレスに書き込まれるいくつかのコードで構成されるコマンドが必要です。 どの FLASH チップも、それがインストールされているデバイスにそのタイプを伝えることができるため、データの書き込みと消去に必要なアルゴリズムを自動的に選択できます。 ID 読み取りモードをプログラムで有効または無効にするための適切なコマンドが提供されています。 これをオンにすると、メーカーの識別子がアドレス OH で読み取られ、デバイスがアドレス 1H で読み取られます (一部のマイクロ回路の識別子は表に示されています)。 同じモードの別のアドレスで、ハードウェア書き込み保護の状態などの追加情報を取得できる場合があります。
アドレス入力 A9 に +12 V の電圧を印加することにより、コマンドなしで識別子を読み取るモードに切り替えることができます。マイクロ回路の種類によって、その値の許容偏差は異なります。 場合によっては±5%以下となる場合もあります。 他の場合には、電圧が特定の値、たとえば 10 V を超えるだけで十分です。識別子は上記のアドレスで読み取られ、A9 放電を考慮せずに設定されます。 通常、この方法はユニバーサル プログラマで使用されます。 ほとんどのフラッシュ メモリ チップの AC3 は、例外もありますが、いわゆる JEDEC 標準に従って与えられたコマンドを受け入れます。 場合によっては、チップをアップグレードするときに、古いコマンドを保持しながら、コマンド システムに標準コードの組み合わせが追加されることがあります (これは、アップグレードされたチップが以前にリリースされたデバイスで動作できるようにするために必要です)。 Intel は独自のコマンド システムを使用しています。 コマンドを詳しく考える前に、FLASH チップの接続について少し説明しましょう。 通常、同じタイプの超小型回路は、ピンの位置、ピッチ、数が異なるいくつかのタイプのパッケージで製造されます。 多くの場合、「ミラー」オプションが提供されており、プリント導体のトポロジを変更せずに基板の任意の側に超小型回路を取り付けることができます。 以下の図のピン番号は、最も一般的な 512 ピン PLCC および PDIP パッケージの 32K メモリ チップの典型的なものです。 より小さな体積の超小型回路の「ピン配置」は似ていますが、最上位の桁の結論はそれらに接続されていません（たとえば、Am29F010 の場合、30 番目と 1 番目は空いています）。 図に示されているものと同様のスキーム。 1 は、マイクロプロセッサ システムからチップを取り外さずにデータの消去と書き込みを行う必要がある場合に使用されます。
システム データ バスは 16 ビット、アドレスは 32 ビットであると仮定します。 ROM は 29 KB のアドレス空間に割り当てられ、残りは RAM で占有できます。Am040F512 のメモリ量は XNUMX KB であるため、アドレスの上位ビットを制御する FLASH メモリ ページ レジスタが提供されます。 データの読み取りと書き込みには、次の簡単な手順 (Pascal で記述) を使用できます。
FLASH チップが動作するデバイスの外部で FLASH チップをプログラムする必要がある場合は、パーソナル コンピュータに接続できます。 これを行う最も簡単な方法は、オプションのパラレル I/O カードをコンピュータに取り付けることです。 Advantech の PCL-731、IOP DAS の DIO-48、ADLink の PET-48DIO などのボードが市販されています。 原則として、それらは 48 の入力/出力を持ち、実際には構成中にそのようなマイクロ回路が存在しない場合でも、同じ情報ポートと制御ポートを備えた O モードの 8255 つの 5806 マイクロ回路 (KP55V1994A) と同様に動作します。 必要に応じて、N. Vasiliev の記事「PC Interface Extender」(「Radio」、6 年、No. 20、21、XNUMX ページ) を使用して、パラレル入出力ボードを独立して作成できます。 読み取りまたはプログラミングの場合、FLASH チップは、図に示す回路に従って 8255 つの 2 チップのポートに接続されます。 24. 最初のポートの PA ポートはデータ入出力に使用され、PC ポートの別のビットは制御信号 CE、OE、WE の出力に使用されます。 ポート PA、PB、PC は XNUMX 番目にフラッシュ チップの XNUMX ビット アドレス バスを形成します。 このバスのより小さいビット幅で十分な場合、PC ポートの対応する数の上位ビットは接続されません。
I/O ボードのポートと補助定数は、プログラム内で次のように記述する必要があります。
また、上記のフラッシュメモリにアクセスする手順は次のように置き換えられます。 м さて、実際にフラッシュマイクロ回路のプログラミングについてです。 JEDEC 規格によれば、各コマンドはアドレス 5555H の OAAN コードのエントリで始まります。 次に、コード 55H がアドレス 2AAAH に書き込まれ、最後に実行される演算のコードがアドレス 5555H に書き込まれます。
たとえば、40H コマンドについて言えば、オペレーション コードとして 40H という数字を持つシーケンスを意味します。
電源を入れると、フラッシュマイクロ回路は自動的にこのモードに入り、特別なコマンドで設定する必要はありません。 ただし、識別子読み取りモードから復帰する場合などは必要です。 これは、リセットまたは初期セットアップ コマンドと呼ばれることもあります。 一部のマイクロ回路をアレイ読み取りモードに移行するには、任意のアドレスに 0F0H コードを書き込む XNUMX サイクルで十分です。
0A0H コマンドに続く書き込みサイクルには、プログラマブル セルのアドレスとそこに書き込まれるコードが含まれます。 ほとんどの場合、各セルへの書き込みには個別のコマンドが必要です。 従来の EEPROM と同様、プログラマブル セルのビットでは論理 3 を XNUMX にのみ置き換えることができることに注意してください。 逆の動作を実行するには、通常、最初にメモリ ブロック全体の内容を消去し、そのすべてのセルのプログラミングを繰り返す必要があります。 多くのフラッシュ チップの ACXNUMX はこれらのエラーを認識せず、成功を報告しないことに注意してください。 プログラミングが正しいことを確認するには、記録されたデータの制御読み取りが必要です。 128 バイトのブロックを持つ Winbond チップでは、セルのプログラミングに先立って、含まれているブロック内のすべてのデータが自動的に消去されます。 したがって、常に最初にブロックを RAM にコピーし、そのコピーに必要な変更を加えて、128 バイトすべてを再プログラムする必要があります。 OOH コマンド、アドレス、およびプログラム可能な最初のバイトを受信した AC3 は、それをブロックの内部バッファに入力し、プログラミングを開始せずに 200 μs 待機します。 この間にもう 3 つの OOH コマンドと次のバイトが受信された場合、それもバッファに入り、AC300 は次の 128 μs を待ちます。 それまでこれが続きます。 ブロックの 300 バイトすべてが受信されるか、一時停止が許容値 (3 μs) を超えるまで。 次に、AC0 はブロックを消去し、実際のプログラミングを開始します。 ブロックの異なるセルを対象としたデータのバッファへの書き込み順序は重要ではありませんが、データが受信されていないセルには、プログラミング後にコード XNUMXFFH が含まれます。 このようなチップにプログラミング データを書き込むには 80 つの方法があります。 そのうちの 20 つ目 (他のものでは通常) はソフトウェア保護と呼ばれます。 書き込む各バイトの前に OOH コマンドを置く必要があります。 ただし、XNUMXH コマンドと XNUMXH コマンドを順番に発行することで保護を無効にすることができます。
その後、任意のアドレスに書き込まれたバイトはマイクロ回路の内部バッファに入り、電源を入れ直してもこのモードは維持されます。 OONの命令でそこから出てください。
インテル フラッシュ チップにデータを書き込むには、同等のコマンド オプションが 40 つあります。 まず、任意のアドレスに10HまたはXNUMXHのいずれかのコードを書き込みます。 そして - 目的のアドレスにプログラマブル コード。
「すべてのメモリを消去」コマンド. FLASH マイクロ回路の AC3 は、80H と 10H という XNUMX つのコマンドのシーケンスを受信することによって、この責任のある動作を開始します。
Intel マイクロ回路には、コード 20H および 0D0H の任意のアドレスに書き込むことで同様のコマンドが与えられます。
メモリの内容全体を消去するには、数十ミリ秒から数秒かかります。 一部のマイクロサーキットは、OVON コードを任意のアドレスに書き込むことでこのプロセスを一時停止する機能を提供します。 コード 30H (Intel チップの場合 - ODOH) を (任意のアドレスに) 書き込んだ後、消去が続行されます。 ブロック削除コマンド。 メモリ ブロックの内容を消去するには、80 つのコマンドを指定する必要があります。 それらの 90 つ目は 5555H ですが、XNUMX つ目は、そのオペレーション コード XNUMXH がアドレス XNUMXH ではなく、消去されるブロックのいずれかのセルのアドレスに書き込まれる必要がある点で異なります。
「識別子の読み取り」コマンド。 このモードに切り替えるには、コマンド 90H が使用されますが、場合によっては、80H と 60H という XNUMX つのコマンドのシーケンスが必要になります。
Intel マイクロ回路では、任意のアドレスにコード 90H を書き込むだけで十分です。 このモードは、上で説明した「データ配列の読み取り」コマンドによって終了します。 「長い」プログラミングおよび消去コマンドの実行の完了を確認するにはどうすればよいですか? 最も簡単な方法は、マイクロ回路の基準データを使用し、対応する遅延をソフトウェアで形成することです。 しかし、特定の操作の実際の実行時間は、同じマイクロ回路の異なるセルやブロックであっても、基準値とは大きく異なることが多く、後者の「古さ」に応じて増加します。 ステータス レジスタ AC3 を読み取ると、特定の操作が終了した瞬間を正確に知ることができます。 AC3 が消去またはプログラミング手順の実行でビジーである限り、FLASH チップはこのレジスタの内容をデータ バスに出力します。 プロセスが完了していないことを示す兆候が 7 つあります。 0 つ目は、ステータス レジスタのビット D6 の値が、メモリ セルの同じビットに書き込まれた値に対して反転していることです (消去中は XNUMX に等しい)。 操作が終了すると、記録されたものと一致します。 XNUMX 番目の症状は、ビット DXNUMX の「ちらつき」です (その値は、操作が完了するまでレジスタを読み取るたびに変化します)。 原則として、両方の兆候が観察されますが、例外もあります。 たとえば、Intel チップには「ちらつき」ビットがなく、書かれているコードに関係なく、プログラミング中は D7 ビットは 0 です。 この場合の操作の終了は、D7=1 によって証明されます。 ブロック記録を備えたマイクロ回路 (Winbond など) では、ビット D7 の値は、ブロック バッファに書き込まれた最後のコードのビットと逆に似ています。 通常、プログラミングまたは消去が完了すると、FLASH チップは自動的にデータ アレイ読み取りモードに戻りますが、Intel チップではこれに対応するコマンドが必要です。 チップに障害が発生すると、「長い」操作が完了せず、プログラミング コンピュータが「ハング」する可能性があります。 これを回避するには、消去およびプログラミング操作の継続時間をチェックし、妥当な値を超えた場合には障害メッセージを伴う「緊急」出力を提供する必要があります。 場合によっては、特に限界に近い数の消去/プログラミングサイクルを経たマイクロ回路を扱う場合、失敗した操作を数回繰り返すことが合理的になることがあります。 いずれかの試みが成功する可能性があります。 結論として、フラッシュ メモリに保存されているコンピュータの BIOS を更新できるユーティリティについて少し説明します。 これらは、システム (マザーボード) ボードのタイプごとに開発されており、FLASH マイクロ回路をシステム バスに接続する際の特性を考慮しています。 したがって、あるタイプのボード用に設計されたユーティリティを使用して別のタイプの BIOS を更新しようとすると、コンピュータが完全に故障することがよくあります。 このユーティリティは、新しい BIOS バージョンのコードを含むファイルの名前をパラメータとして指定して、通常のアプリケーション プログラムとして起動されます。 このファイルを読み取り、フラッシュ メモリに書き込まれるデータの配列を RAM 内に作成します。 次に、超小型回路のタイプを決定し、それを扱うための適切な手順を選択します。 その後、古いデータの消去と新しいデータの記録が開始されます。この時点では、プログラムは画面への情報の表示やキーボードのポーリングなどの BIOS 機能を使用できません。 それでもこれを行う必要がある場合は、必要なサブルーチンがユーティリティ自体に導入されます。 プログラミングが完了し、正しいことが確認されると、通常、コンピュータが再起動され、更新された BIOS で「新しい生活」が始まります。 著者: A. Dolgiy、モスクワ
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