Tento článek poskytne základní popis různých typů paměti od různých výrobců jako jsou ON Semiconductor, Adesto Technologies, Renesas, ISSI, Cypress Semiconductor, Advantech, GigaDevice Semiconductor, a Silicon Motion. Dozvíme se, kde se daná paměť používá a jak se s ní pracuje.
Paměti EEPROM a FRAM
Prvním a nejčastěji používaným typem je paměť EEPROM. Jedná se o energeticky nezávislou paměť, která se často používá k ukládání konfiguračních parametrů systému. Například zařízení připojené ke sběrnici CAN má uložená identifikační data v paměti EEPROM.
EEPROM má několik vlastností, díky kterým je dobrou volbou pro embeded systémy
- Zabírá malou plochu na PCB
- Je relativně levná
- Typické bitové rychlosti se pohybují od 100 do 1 000 Kbit / s
- Standardizované elektrické rozhraní
- Obvykle podporuje rozhraní I2C a SPI
Pro rychlé vyhledávání paměti EEPROM můžete navštívit speciální stránky Digi-Key, kde v současné době naleznete více než 5800 variant pamětí od devíti dodavatelů. Například CAT24C32WI-GT3 od ON Semiconductor je EEPROM paměť o velikosti 32 Kbit (4 Kbyte) v 8 pinovém pouzdře SOIC. Pro komunikaci s mikrokontrolérem používá rozhraní I2C s rychlostí až 1 MHz (obrázek 1).
Obrázek 1: CAT24C32WI-GT3 je 32 Kbit EEPROM od ON Semiconductor, která se připojuje k mikrokontroléru přes I2C. (Zdroj obrázku: ON Semiconductor)
Paměť EEPROM může být integrována přímo v mikrokontroléru. Například 32bitový mikrokontrolér R7FS128783A01CFM # AA1 od společnosti Renesas má 4 kB paměti EEPROM integrovanou přímo na čipu. Pokud tato velikost nestačí je možné použít externí paměť nebo lze využít flash paměť a v ní EEPROM emulovat.
EEPROM má některé potenciální nevýhody:
- Omezení počtu mazání / zápisu (obvykle 1 000 000 cyklů)
- Zápisové cykly trvají přibližně 500 ns
- K zápisu je třeba více instrukcí
- Citlivost na záření a vysoké provozní teploty
Pro aplikace, které vyžadují vysokou spolehlivost - například v automobilovém průmyslu nebo lékařství, je lepší použít robustnější paměť typu FRAM. Jedná se o ferroelektrickou paměť s náhodným přístupem a nabízí hned několik výhod oproti paměti EEPROM:
- Je rychlejší (zápis trvá méně než 50 ns)
- Větší počet cyklů zápisu (až 1 bilion versus 1 milion pro EEPROM)
- Nižší napájecí napětí (pro provoz vyžaduje pouhých 1,5 V)
- Má větší odolnost vůči záření
FRAM paměti jsou dostupné v podobných velikostech jako EEPROM. Například rodina FRAM od Cypress Semiconductor nabízí velikosti od 4 Kbit do 4 Mbits. FM25L16B-GTR má 16 Kbitů (obrázek 2) s pracovní frekvencí až 20MHz a je dodávána v 8-pinovém SOIC pouzdře.
Obrázek 2: Rodina pamětí Cypress FRAM nabízí velikosti od 4 Kbit do 4 Mbits, které se mohou připojit k mikrokontroléru přes SPI. FM25L16B-GTR pracuje až do 20 MHz. (Zdroj obrázku: Cypress Semiconductor)
Paměť CY15B104Q-LHXIT od Cypress Semiconductor má velikost 4 Mbits a podporuje rychlost až 40 MHz (obrázek 3). Některé zajímavé vlastnosti této paměti FRAM jsou:
- 151 let uchovávání dat
- 100 bilionů čtení / zápisu
- Jsou přímou náhradou za sériovou Flash paměť nebo EEPROM
FRAM paměti jsou obvykle dražší než EEPROM, a proto je důležité při výběru správného typu paměti pečlivě zvážit faktory prostředí, ve kterých bude zařízení pracovat.
Obrázek 3: CY15B104Q-LHXIT je paměť o velkosti 4 Mbit a pracuje až do rychlosti 40 MHz. Je součástí rodiny Cypress FRAM, která nabízí velikosti od 4 Kbit do 4 Mbits. (Zdroj obrázku: Cypress Semiconductor)
Paměti Flash, eMMC a SD karty
Flash paměť lze využít hned k několika různým účelům. Nejprve je možné použít externí Flash paměť k rozšíření interní paměti, aby se zvýšil prostor pro kód aplikace. To se běžně provádí pomocí Flash paměti připojené přes SPI, jako je GD25Q80CTIGR od GigaDevice Semiconductor (obrázek 4), která rozšíří vnitřní paměti mikrokontroléru o 8 Mbitů.
Obrázek 4: Flash paměť GD25Q80CTIR od GigaDevice Semiconductor Limited může být použita k rozšíření interního prostoru mikrokontroléru o 8 Mbits pomocí komunikačního rozhraní SPI. (Zdroj obrázku: GigaDevice Semiconductor Limited)
Externí a vnitřní mapu paměti mikrokontroléru lze nakonfigurovat tak, aby obsahovala oba typy paměti. Odpadá nám volání driveru pro komunikaci s EEPROM nebo FRAM pamětí.
Příkladem externí Flash paměti je AT25SF161 od Adesto Technologies (obrázek 5). Tato paměť používá rozšíření standardního rozhraní SPI, které se nazývá QSPI. Oproti klasické SPI se vyznačuje vyšší propustností dat. To je velká výhoda pro ukládání nebo čtení velkého množství dat během jedné transakce. QSPI nepotřebuje CPU pro svou činnost. QSPI má šest pinů (CLK, CS, IO0, IO1, IO2, IO3) místo standardních čtyř pinů (MOSI, MISO, CLK a CS). To umožňuje použití čtyř pinů pro vstup a výstup oproti standartním dvěma pinům SPI.
Obrázek 5: Externí flash paměť AT25SF161 od Adesto Technologies lze použít k rozšíření interní paměti flash mikrokontroléru. Má rozhraní QSPI pro rychlejší ukládání a čtení dat. (Zdroj obrázku: Adesto Technologies)
Flash paměť lze použít k ukládání dat aplikace a informaci o payloadu. Například systém GPS nemusí mít uloženy všechny GPS mapy lokálně v procesoru, ale místo toho je mít uloženy v externí paměti jako je SD karta nebo eMMC. Tato paměťová média mohou být připojena k mikrokontroléru prostřednictvím rozhraní SPI nebo SDIO, které umožňuje efektivní propojení s externí paměti. Například eMMC paměť IS21ES04G-JCLI od ISSI lze přímo připojit k rozhraní SDIO na mikrokontroléru a přidat tak 32 GB uložiště pro uchování velkého objemu dat (obrázek 6).
Obrázek 6: Flash eMMC paměť od ISSI má 32 GB paměti, kterou lze připojit k mikrokontroléru pomocí rozhraní SPI nebo SDIO. (Zdroj obrázku: ISSI)
Z hlediska elektrického rozhraní jsou karty SD a paměti eMMC stejné. Najdou se však rozdíly ve vlastnostech. Paměť eMMC se liší oproti SD kartě následovně:
- Je robustnější a má menší pravděpodobnost k fyzickému poškození
- Má rychlejší interakce
- Je dražší
- Jsou zapájeny do desky, nejsou odnímatelné
Pokud uživatel nebude muset paměť odebírat nebo ji nebude muset rozšiřovat, je použití eMMC robustnější řešení. Výběr vždy záleží na zvážení vlastností dané aplikace. Například subsystém, který je zabudován v automobilu vyžaduje, aby byla paměť certifikována jako spolehlivá na vyšší standard než standardní Flash paměť. V tomto případě je vhodné zvolit eMMC paměť jako je SM668GE4-AC od Silicon Motion, která má velikost 4 Gbyte.
Pokud jde o SD karty, musíme věnovat velkou pozornost tomu, jakou SD kartu koupit. Ne všechny SD karty mají stejné vlastnosti. Musíme pečlivě zkontrolovat rychlostní třídu a provozní teplotu karty. Například u většiny SD karet je provozní teplota uváděna v rozmezí od 0 do 70 ° C. Tyto hodnoty spolehlivě vyhovují pro použití ve spotřební elektronice, ale v průmyslu již ne.
Třída rychlosti popisuje maximální rychlost rozhraní, kterou lze za ideálních podmínek dosáhnout. Například třída 2 znamená, že karta bude pomalá pro aplikace, která ukládá obrázky. Oproti tomu SD karta s třídou 10 je navržena pro HD video. Takovou rychlou SD kartou je microSD SQFlash SQF-MSDM1-4G-21C od Advantech, která nabízí 4 Gbyte datového prostoru.
Obrázek 7: Karta microSD Advantech SQF-MSDM1-4G-21C SQFlash microSD hostí 4 GB paměti a má vysokou konec rychlostní třídy 10. (Zdroj obrázku: Advantech Corp)
Rady pro výběr paměti
Výběr správného typu paměti a rozhraní pro embeded zařízení není snadný. Zde je několik tipů a triků, které je nutné zvážit:
- Jasně identifikovat provozní podmínky paměti: Očekávaný počet cyklů zápisu a čtení, provozní teplota, přítomnost vibrací nebo záření
- Definovat minimální, požadované a maximální přenosové rychlosti nezbytné pro úspěšné využití paměti pro aplikaci
- Výběr typu rozhraní paměti, který nejlépe odpovídá požadované bitové rychlosti
- Pro drsné podmínky prostředí, jako jsou automobilové nebo lékařské aplikace, vybrat paměť, která má příslušnou certifikaci.
- Použít tzv. break-out desky, které pomáhají otestovat jednotlivé typy pamětí s příslušným mikrokontrolérem
Závěr
Dnes je široký výběr energeticky nezávislých pamětí, které lze použít k ukládání aplikačního kódu nebo potřebné konfigurace. Správný výběr konkrétního typu paměti a jejího rozhraní je závislé na pečlivém posouzení potřeb dané aplikace. Vlastnosti vybrané paměti zásadním způsobem ovlivňují spolehlivost celého systému.
Článek vyšel v originále " The Fundamentals of Embedded Memory: EEPROM vs. FRAM vs. eMMC vs. SD Cards " na webu DigiKey.com, autorem je Jacob Beningo
