Содержание
- Назначение внешней памяти для Ардуино,
- Разновидности, назначения, плюсы и минусы,
- Пример использования FRAM,
- Вывод,
- FAQ.
Назначение внешней памяти для Arduino
Несмотря на простоту вопроса, кроме очевидного ответа “для увеличения размера собственной памяти контроллера”, у нее существуют и другие предназначения. Да, в большинстве случаев ее используют как дополнительный “внешний диск”, куда можно скидывать информацию и/или считывать ее кроме как на собственный EEPROM. Это не только расширяет объем, но и экономит ресурс встроенного ПЗУ, который, как известно, не вечен. По слухам, для восьмибитных контроллеров AVR он составляет до полумиллиона операций записи, но уже на третьей сотне тысяч производитель уже опасается за износ и гарантию на стабильность не дает.
Второе применение, которое особенно ценно для съемных видов памяти - запись лога, то есть последовательность информации, собираемой контроллером в течение какого-то времени. После чего полученные данные легко извлечь и обработать.
Третье, тоже более применимое для памяти, которую просто снять и поставить - конфигурационные данные. Программа контроллера может работать сильно по-разному с разными настройками. Настройки же можно передать в программу разными способами, ввести при помощи клавиатуры, энкодера, потенциометра и так далее или залить в составе новой прошивки. А еще можно записать на устройство внешней памяти и подключить его к контроллеру, что гораздо проще и оперативней прошивки и быстрее ручного ввода, к тому же в ряде случаев позволяет вообще отказаться от дополнительных устройств для этого самого ввода, значительно упростив схему и программу.
Разновидности, назначения, плюсы и минусы
Аппаратно устройства внешней памяти для Ардуино можно разделить на два вида: флешки и микросхемы. Про первую уже есть готовая статья на нашем сайте, подробно повторяться о работе с ней не будем. В рамках данной статьи назовем лишь ее сильные и слабые стороны по сравнению с другими разновидностями, а также лучшие способы применения, исходя из этих свойств.
SD-карта
К главному плюсу хранения на SD-картах отнесем огромный размер памяти, просто неприлично гигантский, особенно по меркам контроллера. При некоторой ловкости можно оперировать с массивами данных из многих мега- и даже гигабайт, что практически снимает ограничение на этот параметр. Другим важным преимуществом является простота установки и извлечения из устройства чтения - то и другое одним легким движением. Быстро и безопасно. И, наконец, достаточно вставить ее в компьютер и можно сразу видеть, обрабатывать и редактировать полученные данные, а также записывать новые. Никаких дополнительных устройств, вроде программатора, для этого не понадобится.
Небольшим минусом можно назвать относительно невысокую скорость записи, порядка 4-5 килобайт в секунду. Ограничения вызваны даже не самой картой, а библиотекой и интерфейсом Ардуино. Для подавляющего большинства задач этого более чем достаточно, но не для всех, к сожалению. Большим минусом назовем ограниченный ресурс по циклам перезаписи, для разных карт от 10 до 50 тысяч, что даже меньше, чем у EEPROM, причем раз в 10. Относительно высокая цена одного устройства, по сравнению с другими, хотя в пересчете на каждый байт она ничтожно мала. Необходимость закрывать рабочий файл перед извлечением или отключением питания, что может ограничить использование для устройств с нестабильным питанием.
Таким образом, применять SD-карту в качестве внешнего диска целесообразнее всего для ведения лога событий, записи конфигурационных данных, хранения больших объемов данных, например картинок для дисплея, HTML-страниц или, применительно к специфике нашего сайта, G-кода для печати 3D моделей.
Внешний EEPROM
Практически ничем не отличается от встроенного, ни по порядку объема, ни по ресурсу, ни по скорости - микросхема типа 24C32N. Даже разработчик у нее тот же, что и у наших любимых контроллеров - ATMEL.
Представляет собой восьминогую микросхему. Интерфейс обмена данными - I2C. Объем памяти, в зависимости от модели, от 8 до 64 кбит. Для простоты эксплуатации имеется библиотека, но можно обращаться по встроенному методу Wire, что ускоряет работу и уменьшает размер кода.
Используется как расширение собственной памяти или ее замены после износа. Можно применять в качестве съемного носителя, например как конфигурационного, но установка и снятие потребует большей аккуратности, чем с SD-картой, плюс частая установка быстро изнашивает как ножки самой микросхемы, так и панельки для ее удержания. Только если несколько раз попробовать, и оставить правильный вариант на год-другой, а лучше навсегда.
FRAM
Главный герой нашей статьи - ферритовая память, на которой мы остановимся чуть подробнее. В природе встречается в виде восьминогой микросхемы SOP-формата. Для приведения ее к привычному виду DIP потребуется адаптер, подобный такому.
Заботливые китайцы выпускают и продают ее в виде удобных для экспериментов и эксплуатации модулей, но цена памяти в таком обвесе сразу увеличивается раз в десять и более. Да и размер становится куда менее компактным.
В чем же ее преимущества? Первое и самое главное - количество циклов перезаписи. Не сотни тысяч, не миллионы и даже не миллиарды раз, а такое число, которому еще не придумали названия - 1014! Для понимания масштаба приведу пример: если записывать информацию на FRAM раз в секунду, ресурс ее исчерпается всего лишь через 3 с хвостиком миллиона лет. Вполне хватит на весь гарантийный срок эксплуатации любого изделия, поэтому, принято считать такой вид памяти вечным.
FRAM работает сильно быстрее, чем EEPROM, особенно на запись. При этом протокол работы гораздо проще, а значит занимает меньше памяти для кода. Интерфейс I2C, задействуется всего два пина Ардуино.
Рекомендуется для хранения часто меняющихся значений, требующих частой перезаписи. Например показаний различных счетчиков, положения стрелок на часах, сервомоторов на роботах, направления камеры и тому подобного. В 3D принтерах хваленая функция продолжения печати после аварийного отключения питания основана на записи текущего положения в G-коде. Разумеется, у большинства принтеров запись осуществляется в обычный EEPROM со всеми вытекающими последствиями, то есть стабильно функция будет работать очень недолго, от нескольких месяцев, до года. А в том редком принтере, где установлена FRAM-память (если такие вообще существуют), работать эта функция будет всегда, при этом ощутимо меньше потребляя ресурсов процессора и не тормозя работу программы. Запись осуществляется мгновенно, за считанные наносекунды, что позволяет производить ее с высокой частотой, при этом опасность потери данных минимизируется.
Таким образом этот недооцененный вид внешней памяти можно смело назвать лучшим и даже незаменимым вариантом для большинства задач. Рассмотрим как с ним работать на небольшом примере.
Пример использования FRAM
Нам в руки попалась микросхема FM24CL16, где 16 - размер в килобайт, будем работать с ней. В продаже можно найти чипы объемом от 4 до 256 килобит, которые подключаются точно так же, отличаются друг от друга только размером, что легко можно учесть в программе.
Распиновка всех FM24 выглядит так:
Где:
- VDD - +5В,
- VSS - GND,
- С - SCL (пин А5 Arduino UNO),
- D - SDA (пин А4 Arduino UNO),
- HOLD - запрет записи (при высоком уровне),
- A0, A1, A2 - комбинируя высокие и низкие уровни, формируют адрес микросхемы при использовании нескольких (до 8) микросхем одновременно.
Припаиваем чип к адаптеру с “ногами”.Собираем нехитрую схему.
Устройство готово к работе, осталось написать программу и проверить. Но сперва давайте разберемся, как все происходит с программной точки зрения.
Первое - узнаем адрес чипа памяти. Вычисляется из комбинации состояния пинов A0, A1 и A2 по формуле 1010(А2)(А1)(А0), например, у нас все эти пины притянуты к нулю, а значит адрес выглядит так: 1010000, что в шестнадцатеричной системе выглядит как 0x50. Именно это и есть адрес нашего чипа, по которому мы будем к нему обращаться.
Запись и чтение данных происходит очень просто, буквально в несколько строк.
Рассмотрим порядок записи. Запускаем сессию передачи данных. В качестве атрибута указываем адрес микросхемы, в нашем случае 0x50:
Wire.beginTransmission(0x50);
Отправляем два байта адреса, в который намерены записать или из которого желаем считать данные. Сделать это можно разными способами, это лишь один из них, на наш взгляд самый короткий:
Wire.write((byte*)&startAddress,2);
где
startAddress
- переменная типа unsigned int, она разбивается на два байта, которые по очереди отправляются в чип.
Далее следует собственно запись данных:
Wire.write((byte*)data, len);
где
data
- указатель на первый байт данных любого типа, len - количество байт в данных. Конечно, можно записывать по одному байту при помощи цикла, но если функция Wire.write может это сделать сама, надо с благодарностью пользоваться возможностью, тем более что это быстрее и выглядит аккуратнее.
Наконец, заканчиваем процедуру остановкой сессии передачи данных:
Wire.endTransmission(true);
После чего настоятельно рекомендуется дать памяти немного времени для усвоения информации, хотя бы самым простым путем:
delay(1);
Да, паузу можно усовершенствовать, но предоставим это вам сделать самостоятельно, а для примера и для 99% реальных задач вполне сгодится и простой delay.
Вот и все, данные записаны.
Теперь рассмотрим порядок чтения. Аналогично запускаем сессию, указываем адрес и завершаем сессию:
Wire.beginTransmission(0x50);
Wire.write((byte*)&startAddress,2);
Wire.endTransmission();
И сразу после этого начинаем читать данные:
Wire.requestFrom(0x50, len);
for (rdata = 0, p = (byte*)data; Wire.available() && rdata < len; rdata++, p++) {
*p = Wire.read();
}
где len - количество байт, которые мы желаем считать. В первой строке мы даем понять, что будем извлекать данные с чипа, имеющего адрес 0x50, в количестве len байт. В следующем цикле делаем это, побайтно принимая информацию и выкладывая ее в заранее приготовленное место того же типа данных (data). На этом все, данные приняты и готовы к употреблению.
Теперь приведем пример готовых функций для записи во FRAM и чтения из него любых типов данных, включая массивы и структуры. По сути, это уже готовый инструмент для работы с этим типом памяти, им можно смело пользоваться в своих проектах. Нужно лишь учитывать размер памяти каждого конкретного чипа, чтобы не выйти за ее пределы. Напомню, объем ее может варьироваться очень значительно, от 4 до 256 килобайт.
// пример использования FRAM FM24Cxx для любых типов данных включая массивы и структуры // проверено на FM24CL16 #include <Wire.h> #define disk 0x50 //адрес чипа FM24C struct vvv { byte a; int b; long c; }; struct vvv abc; struct vvv cab; void setup(void) { Wire.begin(); Serial.begin(9600); // пишем данные (раскомментировать для первого запуска) /* int a = -5432; FM24C_write(10, &a, sizeof(a)); // адрес 10 unsigned long aa = 12345678; FM24C_write(100, &aa, sizeof(aa)); // адрес 100 abc.a = 10; abc.b = 100; abc.c = 1000; FM24C_write(300, &abc, sizeof(abc)); // адрес 300*/ // читаем данные int b; FM24C_read(10, &b, sizeof(b)); // из тех же адресов, что записывали! Serial.println(b); unsigned long bb; FM24C_read(100, &bb, sizeof(bb)); Serial.println(bb); FM24C_read(300, &cab, sizeof(cab)); Serial.println(cab.a); Serial.println(cab.b); Serial.println(cab.c); // пишем массив (раскомментировать для первого запуска) /* char hello[] = "hello, 3d-diy.ru"; FM24C_write(1500, &hello, sizeof(hello) + 1); // записываем по адресу 1500*/ // читаем массив char hhh[16]; FM24C_read(1500, &hhh, sizeof(hhh) + 1); // считываем из того же адреса Serial.println(hhh); } void loop() {} // -------------- функции чтение-запись ------------ void FM24C_write(unsigned int startAddress, void *data, unsigned int len) { // адрес, указатель на первый байт, длина в байтах Wire.beginTransmission(disk); Wire.write((byte*)&startAddress,2); Wire.write((byte*)data, len); Wire.endTransmission(true); delay(1); } int FM24C_read(unsigned int startAddress, void *data, unsigned int len) { // возвращаем кол-во считанных байт byte rdata; byte *p; Wire.beginTransmission(disk); Wire.write((byte*)&startAddress,2); Wire.endTransmission(); //Wire.beginTransmission(disk); Wire.requestFrom(disk, len); for (rdata = 0, p = (byte*)data; Wire.available() && rdata < len; rdata++, p++) { *p = Wire.read(); } return (rdata); }В примере все достаточно понятно. Сперва мы записываем данные в память, для чего раскомментируем соответствующие участки кода и запускаем программу. После чего, закомментируем их обратно, снова запускаем программу, убеждаемся, что данные считываются верно. Для чистоты эксперимента отключаем питание Ардуины на какое-то время, от нескольких секунд до нескольких лет, подключаемся и наблюдаем ту же самую картину, данные считываются из памяти правильно и точно.
Вывод
Внешняя память для Ардуино опция нужная, а в ряде случаев обязательная. Каждый вид памяти имеет свои достоинства и недостатки, от чего зависит ее назначение и область применения. Память FRAM, рассмотренная в этой статье, резко выделяется на фоне остальных высокой скоростью работы и, конечно же, практически бесконечным ресурсом, что делает ее незаменимой для очень многих задач. Знать о ней и уметь пользоваться должен каждый уважающий себя DIY-мастер.
FAQ
Есть ли разница между “голой” микросхемой и модулем на ее базе с точки зрения эксплуатации?
С программной точки зрения разницы нет. Отличается лишь подключение, к примеру, для выбора адреса на модуле имеются джампера и уже припаяны резисторы для подтягивания пинов к плюсу. На “голом” чипе надо будет все это сделать самостоятельно. Модуль удобен для тестов и отработки программы, для реального же использования, особенно при большом количестве устройств, лучше сделать разводку под "голые" чипы. Они имеют малый размер и гораздо дешевле модулей.
Существуют ли в природе 3D-принтеры с FRAM?
Возможно, но нам такие найти не удалось. Для дорогих моделей проще и правильнее обеспечить бесперебойное питание, а для дешевых функция возобновления носит чисто рекламный характер, чтобы можно было заявить о ее наличии.
Как использовать более одной микросхемы FRAM-памяти?
При помощи перемычек и резисторов выставить на пинах A0-A2 разные комбинации и обращаться к чипам по полученным таким образом адресам. Например, если подтянуть A0 к плюсу, а остальные оставить на минусе, получим адрес 1010001 = 0x51. В результате получаем 8 комбинаций, имея возможность подключить параллельно 8 микросхем к одному контроллеру. Максимальная емкость такой связки может достигать 256*8 = 2048 Кб, а это уже очень приличный объем, достаточный для многих задач, даже самых сложных.
