如何利用鐵電存儲器提高汽車應(yīng)用的可靠性?
發(fā)布時(shí)間:2019-10-21 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】非易失性存儲器 (NVM) 在幾乎所有嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中都起著關(guān)鍵作用,但許多設(shè)計(jì)對非易失性存儲器在數(shù)據(jù)寫入和訪問速度、數(shù)據(jù)保留、低功耗等方面的要求越來越嚴(yán)格。
非易失性存儲器 (NVM) 在幾乎所有嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中都起著關(guān)鍵作用,但許多設(shè)計(jì)對非易失性存儲器在數(shù)據(jù)寫入和訪問速度、數(shù)據(jù)保留、低功耗等方面的要求越來越嚴(yán)格。在汽車應(yīng)用中更是如此,設(shè)計(jì)人員正在努力打造更先進(jìn)的功能,例如高級輔助駕駛系統(tǒng) (ADAS) 這類任務(wù)關(guān)鍵型功能。
為確保這些系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行,設(shè)計(jì)人員需要深入研究先進(jìn)的鐵電隨機(jī)存取存儲器 (F-RAM),作為要求可靠性高、功耗低且比當(dāng)前 NVM 解決方案速度更快的低功耗汽車級 NVM 的選擇。
本文討論 F-RAM 技術(shù)的關(guān)鍵特性,并介紹開發(fā)人員如何使用 Cypress Semiconductor 的兩款 F-RAM 解決方案來增強(qiáng) ADAS 的可靠性,關(guān)注發(fā)燒友公眾號回復(fù)資料和郵箱地址可以獲取電子資料一份。并以 ADAS 為代理,將 F-RAM 的使用范圍擴(kuò)大至其他任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用。
汽車 NVM 要求
汽車行業(yè)不斷集成具有更高分辨率和更快更新速率的更先進(jìn)傳感器,汽車安全應(yīng)用則是這種行業(yè)趨勢的縮影。ADAS、電子控制單元 (ECU) 和事件數(shù)據(jù)記錄儀 (EDR) 等汽車子系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展,并高度依賴于從各種傳感器收集到的大量數(shù)據(jù)。任何數(shù)據(jù)丟失,甚至數(shù)據(jù)訪問速度的滯緩,都有可能危及系統(tǒng)安全、車輛和乘客。
例如,在 ADAS 設(shè)計(jì)中,寫入電可擦除可編程只讀存儲器 (EEPROM) 所需的時(shí)間可能會引入災(zāi)難性的延遲時(shí)間,導(dǎo)致旨在避免檢測到的危險(xiǎn)情況的自動操作功能反應(yīng)遲緩。在 EDR 設(shè)計(jì)中,如果車輛事故引發(fā)電源故障,那么寫入速度緩慢可能導(dǎo)致關(guān)鍵傳感器數(shù)據(jù)丟失,致使了解事故根本原因所需的數(shù)據(jù)消于無形。
F-RAM NVM 特性
采用 F-RAM 技術(shù)構(gòu)建的存儲器件可以有效地替代 NVM,滿足在可靠數(shù)據(jù)存儲和高速訪問方面日益增長的需求和性能要求。此類器件由鋯鈦酸鉛(Pb[ZrxTi1?x]O3,簡稱為 PZT)制成。PZT 具有獨(dú)特的性質(zhì),施加電場后,PZT 晶體中嵌入的金屬空位(陽離子)依據(jù)電場方向獲得兩種可能極化狀態(tài)(向上或向下)中的一種(圖 1)。
F-RAM 技術(shù)利用兩個同樣穩(wěn)定的能態(tài)示意圖
圖 1:F-RAM 技術(shù)利用了 PZT 材料在受到電場作用時(shí)表現(xiàn)出的兩個同樣穩(wěn)定的能態(tài)。(圖片:Cypress Semiconductor)
由于兩者同是低能態(tài),當(dāng)移開電場時(shí),陽離子將繼續(xù)處于其最近的極化狀態(tài)(圖 2)。施加正或負(fù)電場時(shí),陽離子將再次快速轉(zhuǎn)變至適當(dāng)?shù)臉O化態(tài),遵循與鐵磁材料類似的特征磁滯回線。
PZT 材料遵循特征磁滯回線的曲線圖
圖 2:PZT 材料遵循特征磁滯回線,響應(yīng)施加的電場而在兩個穩(wěn)定的極化態(tài)之間切換。(圖片:WikiMedia Commons/ CC-BY-SA-3.0)
F-RAM 技術(shù)的特性直接決定了采用該技術(shù)制造的 NVM 器件具有許多優(yōu)點(diǎn)。兩種 PZT 能態(tài)同樣穩(wěn)定,因而陽離子可數(shù)十年乃至數(shù)百年保持在其最后位置不變,使得基于 PZT 的 F-RAM NVM 器件具備前所未有的數(shù)據(jù)保留期限。此外,該技術(shù)基于陽離子位置,而不是其他 NVM 技術(shù)的電荷儲存機(jī)制,因此 F-RAM 器件具備固有的輻射耐受性,不受電離輻射的單粒子翻轉(zhuǎn)影響。
除了長期存儲的優(yōu)勢之外,F(xiàn)-RAM 技術(shù)還增強(qiáng)了 NVM 器件的動態(tài)性能。狀態(tài)轉(zhuǎn)變非常迅速,并且只需很少的能量,克服了任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用中與使用 EEPROM 或閃存有關(guān)的根本限制。在相對較慢的寫周期中,EEPROM 和閃存器件需要一個與數(shù)據(jù)緩沖有關(guān)的相當(dāng)長“停留時(shí)間”(soak TIme)。寫周期中的這種額外延遲會導(dǎo)致數(shù)據(jù)處于風(fēng)險(xiǎn)中,如果在操作完成并檢查最終讀取狀態(tài)之前電源出現(xiàn)故障,數(shù)據(jù)可能會完全丟失(圖 3)。
EEPROM 或閃存寫操作期間的長停留時(shí)間(紅色突出顯示部分)示意圖
圖 3:與 F-RAM 器件相比,EEPROM 或閃存寫操作需要相當(dāng)長的停留時(shí)間(紅色突出顯示部分),在此期間數(shù)據(jù)仍處于風(fēng)險(xiǎn)之中。(圖片:Cypress Semiconductor)
為了應(yīng)對 EEPROM 或閃存寫周期較慢的問題,開發(fā)人員如果希望減輕電源故障的影響,就需要添加大電容或電池及適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓器,使 NVM 電源電壓維持足夠長的時(shí)間以便完成寫操作。相比之下,F(xiàn)-RAM(例如 Cypress Semiconductor 的 Excelon-Auto 器件)在寫操作期間以總線速度工作,大大降低了關(guān)鍵數(shù)據(jù)丟失的可能性,而且無需在設(shè)計(jì)中使用補(bǔ)充電源。
汽車級 F-RAM 器件
Excelon?-Auto F-RAM 器件在功能上與串行 EEPROM 和串行閃存相似,旨在滿足關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用對可靠、高性能 NVM 的需求。汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以使用這些符合 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)的器件取代其他類型的存儲器;有兩種型號可供選擇:CY15V102QN 采用 1.71 至 1.89 V 電壓,CY15B102QN 采用 1.8 至 3.6 V 電壓。兩者都是 2 兆位 (Mb) 器件,采用 256 Kb x 8 邏輯組織結(jié)構(gòu)。
在 -40°C 至 +125°C 的工作溫度范圍內(nèi),Excelon F-RAM 的數(shù)據(jù)保留期限遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其他 NVM 技術(shù)。例如,CY15x102QN 在 85°C 的溫度下運(yùn)行時(shí)可以保留數(shù)據(jù)大約 121 年。數(shù)據(jù)保留期限與溫度成反比,如果被迫在典型發(fā)動機(jī)溫度的較高一端運(yùn)行(例如 95°C),則 F-RAM 的估計(jì)數(shù)據(jù)保留期限為 35 年。
在可靠性方面,F(xiàn)-RAM 的讀/寫周期耐久性為 1013,比典型 EEPROM 或閃存高出大約 7 個數(shù)量級。因此,使用此類 F-RAM 器件的開發(fā)人員不需要實(shí)施損耗均衡(將寫操作分配到各扇區(qū)以解決其他 NVM 技術(shù)存在的寫周期有限的問題)之類的技術(shù)。
采用 F-RAM 的簡化設(shè)計(jì)
在典型設(shè)計(jì)中,開發(fā)人員可以使用此類器件直接替換或補(bǔ)充其他類型的 NVM 器件,例如 NOR 閃存。例如,在 ADAS 設(shè)計(jì)中,開發(fā)人員可以同時(shí)使用 NOR 閃存和 Excelon F-RAM,前者用于存儲固件,后者則能可靠地處理來自許多汽車子系統(tǒng)(為 ADAS 應(yīng)用提供輸入)的多個數(shù)據(jù)流(圖 4)。
用于存儲關(guān)鍵數(shù)據(jù)的 Excelon F-RAM 器件與 NOR 閃存器件結(jié)合使用的示意圖
圖 4:汽車 ADAS 開發(fā)人員可以在基于微控制器 (MCU) 的設(shè)計(jì)中,將 Excelon F-RAM 器件(用于存儲關(guān)鍵數(shù)據(jù))與 NOR 閃存器件(常用于存儲固件或配置數(shù)據(jù))結(jié)合起來使用。(圖片:Cypress Semiconductor)
開發(fā)人員只需將 Excelon F-RAM 簡單地連接到主機(jī)處理器的串行外設(shè)接口 (SPI) 總線,便可輕松將其加入設(shè)計(jì)。CY15x102QN F-RAM 設(shè)計(jì)用作 SPI 從器件,支持高達(dá) 50 兆赫茲 (MHz) 的 SPI 時(shí)鐘速率。在典型硬件配置中,開發(fā)人員將 F-RAM 的串行輸入 (SI) 和串行輸出 (SO) 分別連接到 SPI 主控器的主輸出從輸入 (MOSI) 和主輸入從輸出 (MISO) 線。隨后再連接到相應(yīng)的串行時(shí)鐘 (SCK) 和片選 (/CS) 線,便完成了硬件接口。開發(fā)人員可以將多個器件并用來共享主機(jī)的 SPI 總線(圖 5)。
連接到主機(jī)處理器的共享 SPI 總線示意圖
圖 5:開發(fā)人員可以使用共享 SPI 總線將主機(jī)處理器與一個或多個 CY15x102QN F-RAM 連接起來。(圖片:Cypress Semiconductor)
針對沒有 SPI 功能的 MCU,CY15x102QN 器件支持一種簡單的替代方案,即利用微控制器的通用 IO (GPIO) 來仿真 SPI 硬件接口,從而連接到 F-RAM。開發(fā)人員只需使用三個 GPIO 便能實(shí)現(xiàn)此接口,即 F-RAM 的 SI 和 SO 數(shù)據(jù)線使用同一引腳(圖 6)。
用于訪問 Cypress 的 CY15x102QN 串行 F-RAM 的 SPI 協(xié)議示意圖
圖 6:針對沒有原生 SPI 功能的微控制器,開發(fā)人員可以簡單地使用微控制器的通用 IO 來仿真 SPI 協(xié)議,從而訪問 CY15x102QN 串行 F-RAM。(圖片:Cypress Semiconductor)
在標(biāo)準(zhǔn) SPI 協(xié)議中,主器件通過拉低 /CS 來啟動事務(wù)處理。在 /CS 變?yōu)榈碗娖胶?,F(xiàn)-RAM 將下一個字節(jié)解釋為操作碼。例如,寫操作對應(yīng)的是 SPI 標(biāo)準(zhǔn)寫操作碼 (02h),加上三字節(jié)地址和一些數(shù)據(jù)字節(jié)(圖 7)。
Cypress 的 CY15x102QN F-RAM 器件示意圖
圖 7:Cypress 的 CY15x102QN F-RAM 器件支持標(biāo)準(zhǔn) SPI 操作碼和協(xié)議,開發(fā)人員通過順序發(fā)送寫操作碼 (02h)、地址和數(shù)據(jù)便可輕松執(zhí)行零延遲寫操作。(圖片:Cypress Semiconductor)
對于 2 Mb CY15x102QN F-RAM,地址是一個三字節(jié)序列,忽略高六位。Cypress 建議將此高六位設(shè)置為零,以便將來能輕松過渡到更高容量的 F-RAM 器件。
讀操作遵循相同的協(xié)議。接收到標(biāo)準(zhǔn)讀操作碼 (03h) 和地址后,F(xiàn)-RAM 器件通過 SO 順序發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié),自動遞增存儲器地址,同時(shí) /CS 保持低電平,時(shí)鐘信號繼續(xù)產(chǎn)生。因此,開發(fā)人員可以執(zhí)行批量讀操作,只需讓 /CS 保持低電平并繼續(xù)發(fā)出 SCK 時(shí)鐘信號,直到讀取所需數(shù)量的數(shù)據(jù)字節(jié)為止。
CY15x102QN F-RAM 還支持與串行閃存兼容的快速讀取功能。在快速讀操作碼 (0Bh) 和地址之后,SPI 主機(jī)發(fā)送一個偽字節(jié)來模擬閃存讀取延時(shí)。接收到偽字節(jié)后,F(xiàn)-RAM 用所請求的數(shù)據(jù)作出響應(yīng)。快速讀取操作使用與標(biāo)準(zhǔn)讀操作相同的機(jī)制,也能執(zhí)行批量讀操作。
寫保護(hù)
除了 SPI 接口控制邏輯外,CY15x102QN F-RAM 還提供其他機(jī)制來識別器件并對 F-RAM 陣列進(jìn)行寫保護(hù)。
開發(fā)人員可以發(fā)出 SPI 操作碼來訪問 CY15x102QN 器件的只讀唯一 ID 和器件 ID,獲得制造商、存儲器密度和零件版本等信息。開發(fā)人員還可以設(shè)置 8 字節(jié)讀/寫序列號寄存器,將 F-RAM 與特定系統(tǒng)或配置相關(guān)聯(lián)。
關(guān)于 F-RAM 保護(hù),該器件同時(shí)提供了軟件和硬件機(jī)制。對于制造過程中的數(shù)據(jù)保護(hù),有一個專用 256 字節(jié)特殊扇區(qū)可以在多達(dá)三個標(biāo)準(zhǔn)回流焊周期中保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性。對于正常工作期間的保護(hù),器件使用寫使能鎖存器 (WEL) 來保護(hù) F-RAM 陣列免于意外寫入。上電時(shí),WEL 默認(rèn)清零,需要開發(fā)人員發(fā)出寫使能 (WREN) 操作碼 (06h) 才能執(zhí)行寫操作。
器件狀態(tài)寄存器有一對塊保護(hù) (BP) 位 BP0 和 BP1,允許開發(fā)人員保護(hù)存儲器的全部地址范圍(BP1=1,BP0=1),或僅保護(hù)存儲器的上半部分(BP1=1,BP0=0),或僅保護(hù)存儲器的上部四分之一(BP1=0,BP0=1)。
開發(fā)人員可以使用硬件寫保護(hù)引腳 (/WP) 來防止軟件在正常工作期間修改 BP 位。為此,開發(fā)人員在狀態(tài)寄存器中設(shè)置寫保護(hù)使能 (WPEN) 位,并將 /WP 引腳置為低電平以鎖定狀態(tài)寄存器。
電源管理
以最高 50 MHz 時(shí)鐘速率正常運(yùn)行時(shí),F(xiàn)-RAM 技術(shù)固有的高能效使得 CY15V102QN(VDD 1.71 至 1.89 V)的典型電流消耗僅為 5.0 毫安 (mA)。開發(fā)人員可以降低時(shí)鐘頻率以進(jìn)一步節(jié)省功耗,CY15V102QN 在 1 MHz 時(shí)的電流消耗降至大約 0.4 mA。CY15B102QN(VDD 1.8 至 3.6 V)的電流消耗僅略高一點(diǎn),50 MHz 時(shí)為 6.0 mA,1 MHz 時(shí)為 0.5 mA。
長時(shí)間不活動時(shí),開發(fā)人員可以使用 SPI 操作碼將 CY15x102QN 器件設(shè)置為如下三種低功耗模式中的一種,從而顯著降低功耗:
待機(jī)模式,CY15V102QN 的典型電流消耗為 2.7 微安 (μA),CY15B102QN 為 3.2 μA
深度省電模式,CY15V102QN 為 1.1 μA,CY15B102QN 為 1.3 μA
休眠模式,兩個器件均為 0.1 μA
只要 SPI 主機(jī)在操作碼序列結(jié)束時(shí)將 /CS 設(shè)置為高電平,CY15x102QN 器件就會自動切換到待機(jī)模式。要將器件切換到深度省電或休眠模式,SPI 主機(jī)須使用 SPI 操作碼協(xié)議。具體來說,SPI 主機(jī)切換到兩種最低功耗模式之一的步驟如下:首先將 /CS 設(shè)置為低電平,然后發(fā)送一個特殊操作碼(深度省電為 BAh,休眠為 B9h),最后將 /CS 設(shè)置為高電平(圖 8)。
Cypress 的 CY15x102QN F-RAM 器件自動進(jìn)入待機(jī)模式的示意圖
圖 8:CY15x102QN F-RAM 器件在操作碼序列結(jié)束后自動進(jìn)入待機(jī)模式,但開發(fā)人員可以使用正常 SPI 操作碼程序?qū)⑵渲糜诟凸哪J?,如深度省?(DPD) 模式。(圖片:Cypress Semiconductor)
當(dāng) SPI 主機(jī)在發(fā)送適當(dāng)?shù)牡凸牟僮鞔a后將 /CS 設(shè)置為高電平時(shí),CY15x102QN F-RAM 在約 3 μs 內(nèi)進(jìn)入要求的低功耗模式。
在待機(jī)模式下,當(dāng) /CS 變?yōu)榈碗娖綍r(shí),Cypress F-RAM 會立即返回活動模式以啟動下一個操作碼序列。在深度省電或休眠模式下,F(xiàn)-RAM 在 /CS 變?yōu)榈碗娖胶笠矔祷鼗顒幽J?,但深度省電模式有一個大約 10 μs 的短暫延遲,休眠模式的延遲時(shí)間為 450 μs。
總結(jié)
在各種各樣依賴越來越多的傳感器提供數(shù)據(jù)的應(yīng)用中,對可靠、快速、低功耗、高性能 NVM 的需求變得越來越重要。在像汽車 ADAS 之類關(guān)鍵任務(wù)型應(yīng)用領(lǐng)域,數(shù)據(jù)丟失會嚴(yán)重削弱旨在保護(hù)車輛及其乘客的安全機(jī)制。
使用 Cypress Semiconductor 的 F-RAM 器件,開發(fā)人員可以輕松增加能夠可靠存儲關(guān)鍵數(shù)據(jù)數(shù)十年的 NVM,而不用犧牲性能或低功耗要求。
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