AN97798 Migrating from I2C EEPROM to Cypress s I2C F-RAM (Japanese).pdf

AN97798
I2C EEPROM からサイプレスの I2C F-RAM™への置き換えについて
著者: Shivendra Singh
関連製品ファミリ: I 2 C F-RAM
関連コード例: なし
関連アプリケーション ノート: AN96578、AN87352
本アプリケーション ノート (AN97798) はサイプレスの I2C F-RAM™ソリューションの利点および I2C EEPROM から置き換え
る際に考慮すべき重要な差異についてご説明いたします。本書は置き換えの利点も説明しています。
目次
1
はじめに .................................................................... 1
2
F-RAM の優位性 ....................................................... 2
3
1
ページの書き込み遅延 ...................................... 9
I2C F-RAM への置き換えの利点 .............................. 10
2.1
より高速なメモリ ................................................ 2
5.1
ゼロ クロック サイクルの書き込みレイテンシ ..... 10
2.2
より簡単な設計 ................................................. 2
5.2
低消費電力の設計 .......................................... 12
2.3
データ セキュリティ ............................................ 2
5.3
マルチデバイス設計が不要 ............................. 13
2.4
付加機能 .......................................................... 2
5.4
ページ サイズ制限がない ................................ 13
I2C EEPROM から I2C F-RAM への置き換え ............. 2
5.5
ウェアレベリングまたは経時変化の追跡が
不要 ................................................................ 13
5.6
電源障害後の対応が不要 ............................... 14
3.1
ピンおよびパッケージの互換性 .......................... 2
3.2
パラメーターの互換性 ........................................ 4
3.3
4
4.2
5
機能およびアクセス プロトコルの互換性 ............. 6
6
まとめ ...................................................................... 14
ファームウェアの互換性 ............................................. 7
改訂履歴 .......................................................................... 16
4.1
EEPROM での複数のページ対 F-RAM での
単一のページ ................................................................ 7
ワールドワイド販売と設計サポート .................................... 17
はじめに
EEPROM はシステム データの不揮発性ストレージによく使われています。ただし、EEPROM の低速不揮発性書き込み性能
および制限される書き換え可能回数のため、バス速度で不揮発性メモリに頻繁に書き込みを実行する必要があるシステムで
は EEPROM の有効性が制限されます。多くのシステム デザインでは、ウェアレベリング (消去回数の平均化) 技術を使って
効果的に書き換え可能回数限を上げることで EEPROM に関連する問題を解決しようとしましたが、増加した EEPROM 容量
とソフトウェア オーバーヘッドを伴います。重要なシステム データを格納する別の方法は、電源切断時にバックアップ電源を
使用することで、スクラッチ パッド RAM にデータを格納し、格納されたデータを EEPROM やフラッシュなどの不揮発性メモリ
に転送することです。しかし、両方の方法とも、コンポーネント数、基板面積、ハードウェア設計の複雑さおよびソフトウェア オー
バーヘッドが増すため、非常に非効率的です。
2
サイプレスの I C F-RAM は高度な強誘電体プロセスを適用したシリアル不揮発性メモリであり、エネルギー効率の良い高性
能かつ高信頼性の不揮発性 RAM ソリューションを提供します。これは産業機器用および車載用グレード温度で提供されています。
14
サイプレスの F-RAM は高速な SRAM セルを備えており、実質的に無制限 (10 ) の書き換え回数 (EEPROM の書き換え回
数よりも桁違いに非常に多い書き換え回数) を提供します。シリアル EEPROM やフラッシュ メモリと違って、F-RAM は書き
込み遅延を起こさず (NoDelay™)、バス速度で書き込み動作を実行します。データは F-RAM アレイに直接書き込まれます。
次のバス サイクルはデバイスの準備ができているかを確認せずに直ちに開始できます。
2
2
シリアル I C F-RAM デバイスは標準 I C EEPROM デバイスのドロップイン代替品として提供されます。本アプリケーション
2
2
2
ノートでは業界標準 I C EEPROM と I C F-RAM の違いを示します。I C EEPROM ベースのソリューションをサイプレスの
I2C F-RAM ソリューションに置き換える際にこれらの違いに注意する必要があります。
2
2
I C F-RAM 設計の詳細については、 AN96578 – Designing with I C F-RAM アプリケーション ノートをご参照ください。
www.cypress.com
文書番号: 002-03925 Rev. **
1
2
2
I C EEPROM からサイプレスの I C F-RAM™への置き換えについて
シリアル EEPROM と比べたサイプレスの F-RAM の利点については AN87352–F-RAM™ for Smart E-Meters アプリケー
ション ノートをご参照ください。
2
F-RAM の優位性
2.1
より高速なメモリ


2.2
書き換え回数が実質的に無制限 (1014) なので、ウェアレベリング技術の適用は不要
業界標準のパッケージとして提供
高信頼性の高度な強誘電体プロセス
最後の瞬間データを格納するのにバッテリまたはコンデンサのバックアップを必要としない
付加機能



3
ページ境界の管理用のソフトウェア オーバーヘッドはない
データ セキュリティ


2.4
各ページの書き込み後、内部ページ プログラム遅延無しのバス速度での完全なメモリ書き込み
より簡単な設計



2.3
ランダム アクセス: ページの読み出し/書き込みは不要
エネルギー効率が高い高速不揮発性 RAM
65ºC でのデータ保持時間は 151 年
鉛フリー技術
I2C EEPROM から I2C F-RAM への置き換え
サイプレスの I2C F-RAM は 2 つの業界標準パッケージ (8 ピン SOIC および 8 ピン DFN) で使用可能です。これらの標準的
2
かつ用途の広いパッケージ オプションにより、I C F-RAM はシステムの性能に影響せずに、同じフットプリントおよびパッケー
ジ オプションのほとんどの EEPROM のドロップイン代替品となります。さらに、F-RAM ソリューションは、より高いデータ スルー
プット、NoDelay 書き込みやエネルギー効率の良い動作など性能上の利点を提供します。
2
2
次の節では、I C EEPROM と I C F-RAM の主な違いおよび互換性に注目します。
3.1
ピンおよびパッケージの互換性
I2C F-RAM は I2C EEPROM とピンおよびパッケージの互換性があります。表 1 は I2C EEPROM と I2C F-RAM のピン マッ
ピングを示し、表 2 はパッケージの比較を示します。
2
2
表 1. I C EEPROM と I C F-RAM のピン マッピング
ピン名
説明
2
2
I C EEPROM
I C F-RAM
デバイス選択アドレス
E2、E1、E0 または A2、A1、A0
A2、A1、A0
シリアル データ/アドレス入力およびシリアル データ出力
SDA
SDA
シリアル クロック入力
SCL
SCL
書き込み保護入力
WP
電源供給
WP または �����
WC
VDD/ VCC
VDD
グランド
VSS/GND
VSS
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文書番号: 002-03925 Rev. **
2
2
2
I C EEPROM からサイプレスの I C F-RAM™への置き換えについて
表 2. I2C EEPROM と I2C F-RAM のパッケージ比較
特長/機能
パッケージの種類
2
I C EEPROM
8 ピン DFN
8 ピン SOIC
8 ピン PDIP
8 ピン TSSOP
8 ピン UDFN
8 ピン WLCSP
8 ピン MSOP
2
説明
I C F-RAM
標準的な 8 ピン DFN および 8 ピン SOIC パッ
2
ケージでの EEPROM を I C F-RAM に置き換
えることが可能。
2
8 ピン DFN
8 ピン SOIC
2
その他の I C EEPROM パッ ケ ージは I C
F-RAM と互換性がないため、プリント基板の
変更が必要。
図 1 に示すように、F-RAM の 8 ピン DFN
パ ッ ケ ー ジ の エ ク ス ポ ー ズ ド パ ッ ド は NC
(未接続) パッド
注: このリストは全体の容量にわたって利用可能なパッケージ オプションをすべて示しますが、全体の容量にサポートするす
べてのパッケージを示すとは限りません。置き換え前のパッケージ差異詳細については、対応するデバイス データシートを
ご参照ください。
2
図 1. I C F-RAM 8 ピン DFN (4mm × 4.5mm × 0.75mm) パッケージ図
エクスポーズド パッド
I C F-RAM のエクスポーズド パッドはダイに接続されないため、開放のままにする必要があります。I C F-RAM に置き換える際、 I C
2
F-RAM DFN パッケージのエクスポーズド パッドをプリント基板上にはんだづけされないことを確認します。はんだづけすると、I C F-RAM
2
2
2
ダイが過度の熱にさらされ、フェイル ビットや損失マージンを引き起こす可能性があります。
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文書番号: 002-03925 Rev. **
3
2
2
I C EEPROM からサイプレスの I C F-RAM™への置き換えについて
3.2
パラメーターの互換性
表 3 に、I2C EEPROM を I2C F-RAM に置き換える際にシステム レベルの互換性を評価する必要がある主なパラメーターを
まとめます。
表 3. 主なパラメーターのチェックリスト
パラメーター
2
説明
2
I C EEPROM
コメント
I C F-RAM
DC パラメーター
2
1.5V~3.6V
2.0V~5.5V
VDD
電源電圧
VIH
入力 HIGH 電圧
変化
0.7 × VDD~ VDD + 0.3V
VIL
入力 LOW 電圧
変化
–0.3V~0.3 × VDD
1.7V~5.5V
I C EEPROM の方はより広い動
2
作電圧範囲に対応。I C F-RAM
2
に置き換える際に、システムは I C
2
F-RAM の動作電圧が I C F-RAM
にアクセスするホスト コントローラー
の動作電圧範囲内にあることを保
証する必要がある
2
I C F-RAM は CMOS 論理標準に
従う。正しい動作のために、システ
2
ムは論理レベルがホストと I C
スレーブの動作範囲内にあること
を保証する必要がある
2
変化
VOL
出力 LOW 電圧
0.6V (max)、IOL = +6mA
変化
0.4V (max)、IOL = +3mA
0.4V (max)、IOL = +2mA
0.2V (max)、IOL = +150µA
I C F-RAM の出力ドライバーは標
準出力駆動能力に対応するので、
ほとんどのホスト コントローラーと
互換性がある。
正しい動作のために、システムは
2
論理レベルが I C マスター (ホス
2
ト) と I C F-RAM の動作仕様内に
あることを保証する必要がある
AC パラメーター
2
両方のデバイスは I C アクセスの
2
NXP 仕 様 に 準 拠 。 従 っ て 、 I C
2
EEPROM から I C F-RAM への
置き換えでは、同じバス速度では
システム変更が不要。
2
fSCL
I C クロック
周波数
Cb
1 つの I C バスの
総静電容量
2
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最大 1MHz
変化
(定格値は NXP 標準ロー
ドまたはそれ以下)
最大 3.4MHz
幾つかの暗号化 I C EEPROM デ
2
バイスは最大 5MHz の I C バス
速度をサポート可能。機能および
アクセ ス速度の互換性がない た
2
め、I C F-RAM はこれらの特別
なデバイスを置き換え不可
NXP 標準に準拠
I C FRAM に置き換える際、バス
ロードの変更または調整が不要
2
(I C バス ロードに関わる)
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2
2
4
2
2
I C EEPROM からサイプレスの I C F-RAM™への置き換えについて
パラメーター
2
説明
2
I C EEPROM
コメント
I C F-RAM
2
2
他の I CAC
パラメーター
デバイスのすべて
の他の AC
パラメーター
2
NXP I C 仕様との
互換性
2
NXP I C 仕様との互換性
置き換える前に、常に AC パラメー
ターの差異を比較し、その影響を
評価する必要がある
書き込みサイクル
時間
tW/ tWC/ tWR
(ページ バッファ
から EEPROM
メモリにデータを
書き込む時間)
2
I C EEPROM および I C F-RAM
2
は NXP I C 仕様と互換性がある
2
ため、I C F-RAM への置き換えに
は変更が不要。
2
変化
5ms~10ms
該当なし
I C F-RAM で、データ バイトは
固有の不揮発性 F-RAM セルに
直接書き込まれる。従って、書き
込みサイクル時間が適用されず、
デバイスはすぐに次のアクセス
可能な状態になる
電源パラメーター
2
tVR
VDD 電源投入時
ランプ レート
30µs/V
変化
50µs/V
(最低仕様)
I C F-RAM への置き換え時に、
システムは VDD 電源ランプ レート
2
が I C F-RAM の仕様以内にある
ことを保証する必要がある (図 2
を参照)。
2
tVF
VDD 電源切断時
ランプ レート
30µs/V
変化
100µs/V
(最低仕様)
システムは I C F-RAM VDD 電源
供給ランプ レートが最低仕様より
遅いことを保証する必要がある。
例えば、電源供給の VDD は 30 µs
足らずで 1.0V を立ち上がり/立
ち下がりしてはいけない (30µs/V
ランプ レート)
2
tPU
電源入力時の
VDD(min) から最
初のアクセス
(START 条件) ま
での時間
未指定
1ms
I C F-RAM のブートアップ シーケ
ンスを完了し、準備完了するまで
は 1ms が要する。すべてのデバイ
スは一定のブートアップ時間があ
りますが、実システムでは、ブート
アップ時間が観察できないため、
幾つかのデバイスはそれを特定し
ない。
2
2
I C EEPROM を I C F-RAM に置
き換える際に、このパラメーターを
評価する必要があり、必要に応じ
て、tPU 遅延と一致するためにコン
トローラー ファームウェアは変更
する (最初のアクセスのみ)
注: 異なる動作モードでのデバイス電流、ESD プロファイル、ラッチアップ電流プロファイル、はんだ付けプロファイルやパッケージ
などの、I2C EEPROM と I2C F-RAM 間で異なるデバイスの他のパラメーターを使用することで、I2C EEPROM から I2C
F-RAM への置き換え前にシステム レベルの分析が行えます。
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文書番号: 002-03925 Rev. **
5
2
2
I C EEPROM からサイプレスの I C F-RAM™への置き換えについて
図 2. I2C F-RAM パワー サイクル タイミング
3.3
機能およびアクセス プロトコルの互換性
表 4 に、I2C EEPROM と I2C F-RAM のプロトコルおよび機能を比較し、I2C EEPROM を I2C F-RAM に置き換える際に考慮
されるべき重要な点を説明します。
表 4.I2C EEPROM と I2C F-RAM のプロトコルおよび機能の比較
2
機能
2
I C EEPROM
2
標準 I C START
2
I C STOP
標準 I C STOP
データ入力
デバイスは SCL 立ち上がりエッジで SDA をサンプリング
データ出力
SCL が LOW になる場合、SDA を変更
デバイス アドレス指定
7 ビット アドレス指定
I C START
説明
I C F-RAM
2
2
2
I C F-RAM に置き換える際に変更
が不要
2
I C F-RAM に置き換える際に変更
が不要。
メモリ アドレス指定
シングルバイト書き込み
バルク書き込み
2 バイトまたは 1 バイト (メモリ容量に応じて)
ページ メモリへのシングルバイト
書き込みであり、不揮発性書き
込みサイクル時間が続く。
書き込みサイクル時間 (tWC) が
経過した後、次のアクセスを開始
可能
バルク書き込みの最大サイズは
ページ サイズに限定され、その
後不揮発性書き込みサイクル時
間が続く。ページの境界を越えて
書き込みを続けると、ページの先
頭にロールオーバーし、以前に
書き込まれたデータを上書きす
る可能性がある。
書き込みサイクル時間 (tWC) が
経過した後、次のアクセスを開始
可能
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最上位アドレス バイトが最初に送
信され、その後最下位のアドレス
バイトが送信される。バイト内に、最
上位アドレス ビットが最初に送信さ
れる
バス速度で不揮発性メモリへの
バイト書き込み。
次のアクセスをすぐに開始できる
2
I C F-RAM に置き換える際に変更
が不要。
バルク書き込みの最大サイズは
メモリ アレイ。アレイ サイズを越
えて書き込みを続けると、アドレ
ス カウンターをメモリ アレイの先
頭にロールオーバーする。
しかし、書き込み遅延を減らして
バルク書き込みサイズを増加させる
2
ことで、システムは I C F-RAM を利
用し、システムの不揮発性書き込み
性能を大幅に向上できる
次のアクセスをすぐに開始できる
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2
2
I C EEPROM からサイプレスの I C F-RAM™への置き換えについて
2
機能
2
I C EEPROM
説明
I C F-RAM
ランダム アドレス読み出し
ダミー書き込みサイクルはこの (ランダム) アドレスをアドレス レジスタ
にロードするために実行され、その後に読み出しが続く
現時点のアドレス読み出し
現在点のアドレスから読み出す。このアドレスは、この前のサイクルで
書き込み/読み出しアクセスを実行した後にセットされた
連続読み出し
これはランダム/現在点のアドレス読み出しの後に使用される。最初
の成功した読み出しの後、アドレス カウンターは次のアドレスに自動
2
インクリメントし、データを出力で送信する。これは、I C マスターが
NACK を送信するまたは STOP 条件を生成するまで続く
書き込み保護ピン コンフィ
ギュレーション
変化ほとんどのデバイスはこの
ピンが開放の時 (未接続) に
LOW のままに維持するために
内部の弱プルダウン抵抗に接
続する
すべての I C F-RAM デバイスは
このピンが開放の時 (未接続) に
LOW のままに維持するために内
部の弱プルダウン抵抗に接続する
スレーブ選択ピン
(A2、A1、A0) コンフィギュ
レーション
変化ほとんどのデバイスはこれ
らのピンが開放の時 (未使用)
に LOW のままに維持するため
に内部の弱プルダウン抵抗に
接続する
すべての I C F-RAM デバイスは
これらのピンが開放の時 (未使用)
に LOW のままに維持するために
内部の弱プルダウン抵抗に接続
する
2
2
I C F-RAM に置き換える際に変更
が不要
2
2
幾つかの I C EEPROM は次
のプロトコルの 1 つまたは全部
を実行することでソフトウェア リ
セットを定義する。
ソフトウェア リセット
4

START 条件を生成

SCL で 9 ダミー クロックを
生成

START の後 STOP を生成
2
I C F-RAM に置き換える際に変更
が不要。
2
I C F-RAM はこの機能を必要とし
ない。この機能を実行しても、デバ
イス動作に影響を与えない
2
通常この機能は、I C 通信が急に
中断になる時に発生するバス ハン
グの状態からデバイスを引き出す
2
ために NXPI C 仕様により定義さ
れる
ファームウェアの互換性
I2C EEPROM アクセス用の I2C マスター ファームウェアは I2C F-RAM で同様に機能します。本節では、I2C EEPROM ソリュー
2
ションから I C F-RAM ソリューションへの置き換え時にファームウェアの更新により改善できるシステムでの様々な動作
について説明します。
4.1
EEPROM での複数のページ対 F-RAM での単一のページ
EEPROM はページ単位で書き込まれるか、またはプログラムされます。1Mb EEPROM デバイスの普通のページ サイズは
256 バイト (2Kb) です。これは、EEPROM メモリを完全に書き込むために、ホスト コントローラーは 512 ページの書き込み動
作を開始する必要があることを意味します。また、アドレス カウンターのロールオーバーが発生しないように個別のページに
書き込まれる合計のデータ バイト数を記録する必要もあります。
F-RAM はページ アーキテクチャを使用しないため、メモリ アレイ全体は 1 ページとして処理されます。F-RAM アレイ全体は
単一の書き込みコマンドによりバーストモードで書き込めます。内部アドレス カウンターは F-RAM の最後のアドレスに到達すると、
開始アドレス 0h にロールオーバーします。I2C F-RAM は単一のページを含むため、ホスト コントローラーは、ページ数とページ
内のバイト数の 2 個のカウンターではなく、1 個だけのカウンターを記録する必要があります。I2C F-RAM は実行ステップ数
を減らすことでファームウェア設計を簡略化します。図 3 に、I2C EEPROM と I2C F-RAM での書き込み動作の比較を示します。
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文書番号: 002-03925 Rev. **
7
2
2
I C EEPROM からサイプレスの I C F-RAM™への置き換えについて
図 3. I2C EEPROM と I2C F-RAM での書き込み動作
I2C master initiates write
command
I2C EEPROM Write
I2C master sends data byte
YES
Is burst
write continuing?
NO
Byte (address) counter will roll
over to the start address of the
page
NO
NO
Is page boundary
reached?
YES
YES
Is page
counter incremented?
YES
Is write
continuing?
NO
I2C master sends STOP to
initiate the write cycle
NO
Is write cycle
completed?
YES
I2C master sends STOP,
followed by START or
Re-START to initiate new
operation
I2C master initiates write
command
I2C F-RAM Write
I2C master sends data byte
YES
Is burst
write continuing?
NO
YES
NO
Byte (address) counter will roll
over to the start address of the
memory
Is page boundary
reached?
YES
Is write
continuing?
NO
I2C master sends STOP,
followed by START or
Re-START to initiate new
operation
www.cypress.com
文書番号: 002-03925 Rev. **
8
2
2
I C EEPROM からサイプレスの I C F-RAM™への置き換えについて
4.2
ページの書き込み遅延
通常、EEPROM はそのバッファ データを不揮発性 EEPROM に転送するには 5ms のページ書き込み遅延 (tWC) を必要とし
ます。tWC の間に EEPROM がビジーの状態を表示し、NACK を返します。ファームウェアは固定した書き込みサイクル遅延
(tWC) を待つか、またはアクノリッジ (ACK) ポーリングを実行します。図 4 に、EEPROM 書き込みサイクルを完了するための
ACK ポーリング方式を示します。
EEPROM のページ サイズはメモリ容量、または同じメモリ容量の異なるベンダーの製品によって異なります。異なる
EEPROM 製品間のページ サイズの変化とページ書き込み遅延に対応しながらシステム ファームウェアを設計する必要があ
ります。
I2C F-RAM ではページ書き込み遅延が不要なので、システムの不揮発性書き込み性能を向上させるためにファームウェアで
書き込み遅延を除去することが可能です。
図 4. EEPROM と F-RAM の書き込みサイクル
EEPROM Write Cycle
F-RAM Write Cycle
(next operation after tWC,
ACK polling or fixed delay)
(immediate next operation,
no ACK Polling or fixed delay)
I2C master sends write
command
F-RAMs are immediately
ready for the next operation
unlike EEPROMs.
Some controllers use fixed
delay instead of ACK polling
I2C master sends STOP
condition to initiate write
cycle
I2C master sends STOP
condition to stop/terminate
current write cycle
I2C master sends
START command
I2C master sends START
command
I2C master sends
slave ID with R/W = 0
Did device
send acknowledge
ACK = 0?
I2C master sends write
command
I2C master can initiate the
next operation
(any operation)
NO
YES
Is the next operation
memory write?
NO
YES
I2C master sends address and
receives ACK; sends data,
continue write operation
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I2C master sends STOP
followed by START or
Re-START
文書番号: 002-03925 Rev. **
9
2
2
I C EEPROM からサイプレスの I C F-RAM™への置き換えについて
5
I2C F-RAM への置き換えの利点
本節で、I2C EEPROM から I2C F-RAM ソリューションへの置き換えの利点について説明します。
5.1
ゼロ クロック サイクルの書き込みレイテンシ
一般的な EEPROM は、不揮発性 EEPROM セルにそのデータ ページを転送するために 5ms の書き込みサイクルを必要と
します。従って、数キロバイトのデータが書き込まれる必要がある場合に書き込み時間が長くなります。その一方、F-RAM を
使用すると、すべての書き込み動作はメモリ ベースのレイテンシがなく、バス速度で実行されます。次の例では、ゼロ クロック
サイクルの書き込みレイテンシにより、F-RAM 不揮発性書き込み性能は EEPROM より向上させることを説明します。図 5 に、
書き込みレイテンシの影響を示しています。
5.1.1
例
式 1 で、I2C EEPROM への書き込みの合計時間を計算します。
式1
ここで、
8
1 () =


1000 +   
T1 – EEPROM への書き込みの合計時間 (ms)
2
N – I C バスで送信されるデータ バイト数
2
f f I C 周波数 (HZ)
PS – EEPROM のページ サイズ
Twc – EEPROM の書き込みサイクル時間 (ms)
式 2 で、I2C F-RAM への書き込みの合計時間を計算します。
式2
ここで、
2 (F-RAM) =
8

1000
T2 – F-RAM への書き込みの合計時間 (ms)
2
N – I C バスで送信されるデータ バイト数
f – I2C 周波数 (HZ)
EEPROM 書き込み時間の例
2
5ms ページ書き込みサイクル時間 (tWC) で、容量が 128KB (1Mb) で、ページ サイズが 256 バイトの 1MHz I C EEPROM
の場合、8Kb (4 ページ) のデータをバックアップするのに 28ms 要します。
1 �� =
10248
1000000
1000 +
1024
256
 5 = 28.192 
同様に、I2C EEPROM で 128KB (1Mb) のデータをバックアップするのに 3.608 秒を要します。
1 �� =
12810248
1000000
F-RAM 書き込み時間の例
1000 +
1024128
256
 5 = 3608   3.608 
128KB (1Mb) 容量の 1MHz I2C F-RAM は、8Kb のデータをバックアップするのに 8ms 要します。
2 �F-RAM� =
www.cypress.com
10248
1000000
1000 = 8.192 
文書番号: 002-03925 Rev. **
10
2
2
I C EEPROM からサイプレスの I C F-RAM™への置き換えについて
同様に、I2C F-RAM で 128KB (1Mb) のデータをバックアップするのに 1.049 秒を要します。
2 (F-RAM) =
10241288
1000 = 1049   1.049 
1000000
また、同じ容量を有する製品に対しても EEPROM のページ サイズは異なります。この例では、EEPROM のより低いページ
サイズはより多くのページ書き込み動作を必要とし、従って書き込みサイクルを完了させるための時間はより長くなります。
その結果、追加の書き込み遅延が発生します。F-RAM がページ メモリではないため、所定のデータ一式を書き込むのに
必要な時間は、メモリ容量に関わらず不変です。
表 5 と図 5 に、F-RAM と EEPROM での不揮発性メモリへの書き込み時間を示します。
2
表 5. 1MHz の I C インターフェースを使用する場合の EEPROM と F-RAM への書き込み時間
不揮発性メモリへの書き込み時間 (ms)
データ バイト
F-RAM
EEPROM
1
0.008
5.008
16
0.128
5.128
32
0.256
5.256
64
0.512
5.512
128
1.024
6.024
256
2.048
7.048
512
4.096
14.096
1024
8.192
28.192
2048
16.384
56.384
注: 表 5 の計算には、書き込まれるデータ バイトを送信する前に制御とアドレス バイトを送信するためのオーバーヘッドが
含まれていません。I2C EEPROM へのマルチページの書き込み動作は、各ページ書き込みに新しい I2C 書き込みコマンドの
送信が必要になります。
図 5. EEPROM と F-RAM の書き込み性能の比較
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I C EEPROM からサイプレスの I C F-RAM™への置き換えについて
5.2
低消費電力の設計
F-RAM デバイスは、スタンバイ/スリープ電流の仕様が EEPROM のとほぼ同じであるが、EEPROM のアクティブ電流の約
3 分の 1 に相当する電力量を消費します。アクティブ電流の差異は、特にスマート E メーターのようなアプリケーションが頻繁
なデータ ログに応じて高い強度で書き込まれる場合、消費電力に大きな影響を及ぼします。高いアクティブ電流に加えて、
EEPROM は、デバイスを長い間アクティブ モードのままにさせる追加のページ書き込み遅延を発生させ、電力がより多く消
費します。
I2C F-RAM と I2C EEPROM への書き込みに必要なエネルギー量は、以下のエネルギー計算例で計算されます。表 6 と図 6
に示すように、F-RAM と EEPROM のエネルギー消費を比較します。この比較ではエネルギー消費を説明します。
5.2.1
エネルギー計算例
式 3 では書き込みサイクルの間 F-RAM と EEPROM で消費されるエネルギーを計算します。
 =     
式3
ここで、
V – 動作電圧
I – 書き込み中のアクティブ電流
t – 不揮発性メモリへの書き込み合計時間
表 6. EEPROM と F-RAM への書き込みエネルギー
不揮発性メモリ書き込みエネルギー (µJ)
書き込みデータ バイト
F-RAM
EEPROM
1
0.0096
45.072
16
0.1536
46.152
32
0.3072
47.304
64
0.6144
49.608
128
1.2288
54.216
256
2.4576
63.432
512
4.9152
126.864
1024
9.8304
253.728
2048
19.6608
507.456
注:
1.
標準 3V、1Mb の I2C EEPROM は書き込み中に 3mA のアクティブ電流を消費します。そのため、I2C EEPROM に対し
て 128 バイト (1Kb) のデータを書き込むために必要な消費電力は 54.22µJ (3.0V x 3mA x 6.024ms) になります。
2.
標準 3V、1Mb の I2C F-RAM は書き込み中に 0.4mA のアクティブ電流を消費します。そのため、I2C F-RAM に対して
128 バイト (1Kb) のデータを書き込むために必要な消費電力は 1.23µJ (3.0V x 0.4mA x 1.024ms) になります。
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図 6. F-RAM および EEPROM のデータ書き込み時のエネルギー消費量の比較
5.3
マルチデバイス設計が不要
EEPROM 書き込み動作ではデータ転送のために 2 段階を要します。データがページ バッファに書き込まれ、不揮発性メモリ
の書き込みサイクルが発生します。書き込みサイクル中に、EEPROM アクセスが無効にされます。よって、進行中の書き込
みサイクルが終了するまで次のアクセスを開始することはできません。
一方、I2C F-RAM はバス速度でデータを書き込みます。従って、パイプラインの実装が不要になり、システムのファームウェア
アーキテクチャを単純化し、開発サイクル時間および関連テスト オーバーヘッドを減少させます。
5.4
ページ サイズ制限がない
EEPROM ページ サイズは容量によって異なります。そのため、色々な製品バージョンの異なる容量をサポートするために、
EEPROM にインターフェースするファームウェア プログラムは容量オプションの範囲で柔軟に書き込まれ、テストされる必要
があります。F-RAM はページ サイズの制限を課しないので、ユーザは使用中のメモリの合計サイズとは無関係に、任意サイズ
のデータ ブロックを書き込むことができます。
5.5
ウェアレベリングまたは経時変化の追跡が不要
EEPROM への定期的な書き込みを必要とするすべてのシステムは慎重なアドレス管理を使用します。この「ウェア レベリング」と
呼ばれる方法は、各ページが書き込まれる回数を均等化することを目的とします。
効果的に書き込み回数限を上げるためにウェア レベリングが EEPROM に使用されています。ウェア レベリングの実装では、
メモリ アレイ全体は複数のセグメントに分割され、これらのセグメントはマイクロコントローラーまたはプロセッサの同一のアド
レスにマッピングされます。例えば、書き込みが現時点のメモリ セグメント内のいずれか (または複数) のアドレス位置に行わ
れた場合、同じアドレス位置上の後続の書き込みは、異なるセグメントで実行されます。ウェア レベリングの実装を図 7 に示
しています。
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I C EEPROM からサイプレスの I C F-RAM™への置き換えについて
図 7. EEPROM 上のウェア レベリング メカニズム
Memory
Segment-4
4th write
P1, P2
2
1
Memory
Segment-3
3rd write
P1, P2
Pn
P3
P2
2
1
P1
Data Stream
2nd write
P1, P2
Memory
Segment-2
Physically divided into
four segments but they
are logically mapped
to the same controller
memory.
2
1
Aging Table
1st write
P1,P2
Memory
Segment-1
2
1
ウェア レべリングは、正しく洗練されたドライバー ルーチンを必要とします。このルーチンを介してすべての不揮発性のアクセス
が制御されます。このルーチンは、データ構造の内部アドレス指定をメモリ用の物理的なアドレス指定方式に変換します。
通常、メモリ アレイの「エージング テーブル」は、デバイスがどのように使用されているか追跡します。これは、小型のファイリング
システムにおける大幅なコード領域を使用します。アーキテクチャの変更時には、新しいプロセッサ ファミリへ置き換える際に
これは設計サイクル時間を増加させます。
標準 EEPROM デバイスのアクセス可能サイクル数は 106 であるのに対して、F-RAM デバイスのアクセス可能サイクル数は
1014 (標準 EEPROM の書き換えサイクルより桁違いに 1 億回数多い) です。従って、F-RAM アクセス可能サイクルに対応
するために、システムは 1 億個の EEPROM デバイスまたは F-RAM 容量より 1 億多い EEPROM デバイスを必要とします。
これは事実上不可能になります。
5.6
電源障害後の対応が不要
データは F-RAM に書き込まれた後、すぐに不揮発性になります。これは F-RAM デバイスを使用する主な利点の 1 つです。
つまり、極端な故障状態でシステム データの整合性を一層確保することです。すべての書き込みは、不揮発性メモリに直接
行われます。そのため、電源障害の後にデータを保存するための電源バックアップまたは更なる電源供給は要りません。
その一方、電源の障害が検出された場合、EEPROM ベースのシステムで重要なデータを保存するために、コントローラーは、
所望のデータ ブロック サイズに対応する完全な書き込みサイクルを開始および実行しなければなりません。主電源は、
このプロセスを通じてコントローラーとその周辺装置に電源を確実に供給するために十分な電力を含有する必要があります。
コントローラーは、電源障害中に電源の急激な遷移によるクラッシュから保護されなければなりません。システム ファームウェア
は、電源障害前に存在したどのシステム状態においても正常に実行されることを保証するために、エラー条件の全範囲に
わたって徹底的に試験されなければなりません。
6
まとめ
I2C EEPROM からサイプレスの I2C F-RAM への置き換えはシステムの性能、信頼性およびエネルギー効率を向上させます。
I2C F-RAM の業界標準のピンとパッケージ コンフィギュレーションおよび電気的互換性により、置き換えは簡単になります。
本アプリケーション ノートでは、取り上げられた少数のデバイスの相違点が考慮される必要があります。しかし、ほとんどの
アプリケーションではこれらの相違点は一般的に置き換えを除外しません。
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I C EEPROM からサイプレスの I C F-RAM™への置き換えについて
著者について
氏名:
Shivendra Singh
役職:
アプリケーション エンジニア主任
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I C EEPROM からサイプレスの I C F-RAM™への置き換えについて
改訂履歴
文書名: AN97798 – I2C EEPROM からサイプレスの I2C F-RAM™への置き換えについて
文書番号: 002-03925
版
ECN
改版者
発行日
**
5013006
HZEN
11/16/2015
www.cypress.com
変更内容
これは英語版 001-97798 Rev. **を翻訳した日本語版 002-03925 Rev. **です。
文書番号: 002-03925 Rev. **
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