Pro zajištění bezpečného a spolehlivého provozu automobilových systémů jsou vhodné feromagnetické paměti F-RAM, které vynikají nízkou spotřebou, vysokou spolehlivostí a jsou dokonce rychlejší než NVM paměti. Tento článek nás zavede do světa technologie F-RAM a dozvíme se, jak používat paměti F-RAM od společnosti Cypress Semiconductor.
Požadavky pro automobilový průmysl
Bezpečnostní aplikace v automobilovém průmyslu určují trend průmyslu v oblasti integrace vysokorychlostních senzorů s vysokým rozlišením. Asistenční systémy pro řidiče, elektronické řídicí jednotky (ECU) a záznamníky dat událostí (EDR) se spoléhají na naměřená data, která jsou uložena v paměti. Jakákoli ztráta dat nebo dokonce pomalý přístup k datům může ohrozit bezpečnost systému, a tím i vozidla a jeho cestující.
Například u systému ADAS může prodloužená doba zápisu do paměti EEPROM způsobit katastrofální zpoždění automatického manévru, aby se předešlo kritické situaci. V záznamníku dat EDR může pomalý zápisu způsobit ztrátu kritických dat ze senzorů, která jsou důležitá pro pochopení příčiny nehody.
F-RAM vlastnosti
Paměťová zařízení s technologií F-RAM jsou spolehlivé a vysokorychlostní. Materiál pro F-RAM paměť je vyroben z prvků olova, zinku a titanu (Pb [ZrxTi1 − x] O3), jinak známého jako PZT. PZT má jedinečnou charakteristiku, kdy kovová volná místa (kationty) vložené do krystalu PZT dosáhnou jednoho ze dvou možných polarizačních stavů, které odpovídají směru aplikovaného elektrického pole. Tyto stavy se nazývají Up nebo Down (obrázek 1).
Obrázek 1: Technologie F-RAM využívá výhod dvou stejně stabilních energetických stavů, které vykazují materiály PZT při vystavení elektrickému poli. (Zdroj obrázku: Cypress Semiconductor)
Kationt zůstane ve svém posledním polarizačním stavu fixován, i když je elektrické pole odstraněno (obrázek 2). Při aplikaci kladného nebo záporného elektrického pole bude kationt opět rychle přecházet do příslušného polarizačního stavu. Tento přechod probíhá po hysterezní smyčce podobně jako u feromagnetických materiálech.
Obrázek 2: Materiály PZT sledují charakteristickou hysterezní smyčku při přepínání mezi dvěma stabilními stavy polarizace v reakci na aplikované elektrické pole. (Zdroj obrázku: WikiMedia Commons / CC-BY-SA-3.0)
Vzhledem k tomu, že oba energetické stavy PZT jsou stejně stabilní, kationt zůstane ve své poslední pozici po desetiletí nebo možná století. To má za následek nevídané rychlosti uchovávání dat v zařízeních F-RAM na bázi PZT. Vzhledem k tomu, že tato technologie je založena spíše na kationtové pozici než na mechanismu ukládání nábojů jako u jiných technologií paměti, jsou zařízení F-RAM tolerantní vůči záření a jsou imunní vůči rušivým vlivům z ionizujícího záření.
Kromě výhody dlouhodobé uložení dat, technologie F-RAM zvyšuje dynamický výkon paměti. Přechod stavů je velmi rychlý a vyžaduje málo energie. EEPROM a Flash paměti vyžadují určitý čas (soak time) spojený s vyrovnávací pamětí dat během jejich relativně pomalého zápisu. Toto dodatečné zpoždění v cyklu zápisu má za následek časový úsek, kdy mohou být data ohrožena nebo zcela ztracena, pokud dojde k výpadku napájení ještě před dokončením operace (obrázek 3).
Obrázek 3: EEPROM a Flash paměti vyžadují určitý čas (soak time) spojený s vyrovnávací pamětí dat během jejich relativně pomalého zápisu. (Zdroj obrázku: Cypress Semiconductor)
Pro pomalejší zapisovací cykly v EEPROM nebo flash paměti se přidávají velké kondenzátory nebo baterie spolu s příslušnými regulátory napětí, aby udržovali napájecí napětí pro dokončení operace zápisu i při výpadku napájení. Naproti tomu F-RAM paměti od Cypress Semiconductor Excelon-Auto jsou značně rychlé během zápisu. To značně snižuje riziko ztráty dat a eliminuje potřebu doplňkových zdrojů energie v designu.
Zařízení F-RAM pro automobilový průmysl
Paměti Excelon-Auto F-RAM jsou funkčně podobné sériovým EEPROM a Flash pamětím a jsou navrženy tak, aby splňovaly požadavky kritických aplikací pro spolehlivé a velmi rychlé aplikace. Designéři automobilových systémů mohou používat tyto paměti s kvalifikací AEC-Q100 k nahrazení jiných typů paměti, přičemž si lze zvolit paměť CY15V102QN s napájecím napětím 1,71 až 1,89 V nebo CY15B102QN s napájecím napětím 1,8 až 3,6 V. Obě mají velikost 2 Mbit, logicky uspořádané jako 8 x256 Kbits.
V rozsahu provozní teploty -40 °C až + 125 °C mají Excelon F-RAM paměti rychlost uchovávání dat mnohem vyšší, než je dostupná u jiných typů paměti. Například CY15x102QN může uchovávat data po 121 let při teplotě 85 °C. Uchovávání dat je nepřímo úměrné teplotě. Proto při teplotách 95°C (typická teplota motoru) je odhadová doba uchování dat 35 let.
S ohledem na spolehlivost mají F-RAM počet cyklu čtení / zápisu 1013. To je o sedm řádů větší než u paměti EEPROM nebo Flash. V důsledku toho nemusí vývojáři implementovat techniky, jako je vyrovnávání opotřebení, které rozděluje zápisy napříč sektory tak, aby odpovídaly maximálnímu počtu cyklů zápisu (Tato technika se používá pro paměti Flash nebo EEPROM).
Zjednodušený design s F-RAM
F-RAM paměť můžeme použít k přímému nahrazení nebo doplnění jiných typů paměti například paměti Flash. Například v pokročilém asistenčním systému pro řidiče ADAS lze NOR Flash paměť použít k uložení firmware a paměť F-RAM spolehlivě použít k ukládání dat z mnoha automobilových senzorů (Obrázek 4).
Obrázek 4: Vývojáři automobilového systému ADAS mohou použít paměť F-RAM pro ukládání kritických dat a NOR Flash paměť pro uložení firmware nebo konfiguračních dat. (Zdroj obrázku: Cypress Semiconductor)
F-RAM paměť se jednoduše spojí s mikrokontrolerem pomocí sériového rozhraní (SPI). Paměť F-RAM CY15x102QN je navržena jako slave a rychlost komunikace může dosahovat až 50 MHz. V typické hardwarové konfiguraci se připojuje pin F-RAM (SI) a (SO) k pinům mikrokontroleru (MOSI) a (MISO). Nesmí se zapomenout připojit hodiny (SCK) a pin pro výběr čipu (/ CS). Na jednu sběrnici SPI lze připojit více pamětí, a tím vytvořit dostatek místa pro kritická data (Obrázek 5).
Obrázek 5: Lze použít sdílenou sběrnici SPI pro připojení hostitelského procesoru s jednou nebo více F-RAM CY15x102QN. (Zdroj obrázku: Cypress Semiconductor)
Pokud mikrokontroler nemá rozhraní SPI, CY15x102QN podporuje jednoduchou alternativu pro emulaci hardwarového rozhraní SPI pomocí IO (GPIO) mikrokontroleru. Toto rozhraní se realizuje pouze pomocí tří GPIO, které se propojí s datovými piny SI a SO na paměti F-RAM (Obrázek 6).
Obrázek 6: U mikrokontroleru bez integrovaného rozhraní SPI lze použít alternativu ve formě tří GPIO pinů. (Zdroj obrázku: Cypress Semiconductor)
Ve standardním protokolu SPI mikrokontroler začíná transakci tím, že uvede pin /CS na nízkou úroveň (stáhne na GND). Po uvedení pinu /CS do nízké úrovně F-RAM paměť další bity čte jako kód(opcode), který v instrukční sadě interpretuje definovanou činnost. Například pro operaci zápisu je to standardní kód SPI (02h) s tříbajtovou adresou a následnými daty (obrázek 7).
Obrázek 7: Zařízení Cypress CY15x102QN F-RAM podporuje standardní kódy (opcode) protokolu SPI. To umožňuje snadno provádět zápisy s nulovým zpožděním. Opcode pro zápis je (02h). (Zdroj obrázku: Cypress Semiconductor)
Pro 2 Mbit F-RAM paměť CY15x102QN se také používá tříbajtová adresa, přičemž horních šest bitů je ignorováno. Cypress doporučuje nastavit tyto horních šest bitů na nulu, aby se v budoucnu umožnil snadný přechod na větší velikost paměti.
Čtení probíhá podobným postupem. Poté, co F-RAM paměť obdrží kód pro čtení (03h) a adresu, F-RAM postupně přenáší data na pin SO dokud zůstává /CS v nízké úrovni a na pinu CLK je stále signál hodin, přičemž automaticky zvyšuje adresu paměti. V důsledku toho lze uskutečnit hromadné čtení udržováním pinu /CS v nízké úrovni a generováním hodin na SCK pin, dokud nejsou přečtena požadovaná data.
Paměť F-RAM CY15x102QN podporuje funkci rychlého čtení stejně jako u paměti Flash. Pro rychlé čtení slouží kód (0Bh). Operace rychlého čtení může provádět hromadné čtení pomocí stejného mechanismu jako u standardního čtení.
Ochrana proti zápisu
F-RAM CY15x102QN poskytuje další mechanismy pro identifikaci zařízení a ochranu proti zápisu. Existují speciální kódy pro přístup k jedinečnému ID, k informacím jako je výrobce, hustota paměti a revize. Lze nastavit osmibajtový registr sériového čísla pro spojení F-RAM s konkrétním systémem nebo konfigurací.
F-RAM poskytuje softwarové i hardwarové mechanismy pro ochranu dat. Při výrobě je vyhrazen speciální sektor 256 bajtů, který umožňuje udržovat integritu dat až třemi standardními cykly pájení. Pro ochranu během normálního provozu používá zařízení ochranu proti nechtěnému zápisu (write enable latch - WEL). Při zapnutí ochrany WEL je nutné před prováděním operace zápisu zapsat operační kód (WREN) umožňující zápis. Ve statusovém registru je speciální pár bitů BP0 a BP1, které slouží k ochraně dat.
- BP1 = 1, BP0 = 1 – ochrana celé paměti
- BP1 = 1, BP0 = 0 – ochrana horní poloviny paměti
- BP1 = 0, BP0 = 1 – ochrana horní čtvrtiny paměti
Lze také využít hardwarovou ochranu proti zápisu (/ WP) k zabránění softwaru modifikovat bity BP během normálních operací. Stačí nastavit ochranu proti zápisu (WPEN) ve stavového registru a uvést pin /WP do nízké úrovně. Tím dojde k zablokování stavového registru.
Řízení spotřeby
V normálním provozu se spotřeba CY15V102QN (VDD 1.71 až 1.89 V) pohybuje okolo 5,0 mA při maximální hodinové frekvenci 50 MHz. Pokus snížíme frekvenci hodin, můžeme docílit spotřeby cca 0,4 mA při 1 MHz. Proudová spotřeba 15B102QN (VDD 1,8 až 3,6 V) je jen o něco málo větší než 6,0 mA při 50 MHz a 0,5 mA při 1 MHz.
CY15x102QN disponuje třemi režimy nízké spotřeby:
- Pohotovostní režim s typickou spotřebou proudu 2,7 μA pro CY15V102QN a 3,2 μA pro CY15B102QN
- Režim hlubokého vypnutí se spotřebou 1,1 μA pro CY15V102QN a 1,3 μA pro CY15B102QN
- Režim hibernace se spotřebou 0,1 μA
Paměť CY15x102QN se automaticky přepne do pohotovostního režimu v momentě, kdy hostitel nastaví /CS do úrovně high. Pro přepnutí do režimu hlubokého vypnutí nebo režimu spánku použijeme speciální kód, který pošleme po sběrnici SPI. Kód BAh pro hluboký spánek a kód B9h pro hibernaci. (obrázek 8).
Obrázek 8: Zařízení CY15x102QN F-RAM automaticky vstoupí do pohotovostního režimu po uvedení pinu \CS do vysoké úrovně. Režim hlubokého vypnutí (DPD) nebo režim hibernace lze vyvolat pomocí speciálních kódů opcode BAh nebo B9h. (Zdroj obrázku: Cypress
Čas, který zabere přechod do některého stavu úsporného režimu, je asi 3 μs. V pohotovostním režimu se paměť Cypress F-RAM okamžitě vrátí do aktivního režimu, když pin /CS přejde do nízké úrovně. Z režimu hlubokého vypnutí se F-RAM také vrátí do aktivního režimu po uvedení pinu /CS do nízké úrovně, ale zabere to přibližně 10 μs a pro hibernaci to je 450 μs.
Závěr
Potřeba spolehlivé, rychlé a výkonné paměti s velmi malou spotřebou neustále narůstá v celé řadě aplikací. V kritických aplikacích jako jsou automobilové aplikace ADAS, může ztráta dat významně snížit bezpečnostní mechanismy určené k ochraně vozidla a jeho cestujících. Pomocí paměti F-RAM od společnosti Cypress Semiconductor lze snadno přidávat místo pro důležitá data, která jsou spolehlivě uložena po celá desetiletí.
Článek vyšel v originále " Use Ferroelectric Memory to Enhance Reliability of Automotive Applications " na webu DigiKey.com, autorem je Stephen Evanczuk
