嵌入式系统中非易失、不可复位计数器的实现

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。 
 

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。
 

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 (DS2431、DS28CN01和DS28E01)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。
 

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。