“تلعب الذاكرة غير المتطايرة (NVM) دورًا رئيسيًا في جميع تصميمات الأنظمة المضمنة تقريبًا ، ولكن العديد من التصميمات تتطلب بشكل متزايد ذاكرة غير متطايرة من حيث كتابة البيانات وسرعة الوصول والاحتفاظ بالبيانات واستهلاك الطاقة المنخفض والمزيد. هذا صحيح بشكل خاص في تطبيقات السيارات ، حيث يعمل المصممون على إنشاء ميزات أكثر تقدمًا ، مثل الوظائف ذات المهام الحرجة مثل أنظمة مساعدة السائق المتقدمة (ADAS).
“
تلعب الذاكرة غير المتطايرة (NVM) دورًا رئيسيًا في جميع تصميمات الأنظمة المضمنة تقريبًا ، ولكن العديد من التصميمات تتطلب بشكل متزايد ذاكرة غير متطايرة من حيث كتابة البيانات وسرعة الوصول والاحتفاظ بالبيانات واستهلاك الطاقة المنخفض والمزيد. هذا صحيح بشكل خاص في تطبيقات السيارات ، حيث يعمل المصممون على إنشاء ميزات أكثر تقدمًا ، مثل الوظائف ذات المهام الحرجة مثل أنظمة مساعدة السائق المتقدمة (ADAS).
لضمان التشغيل الآمن والموثوق لهذه الأنظمة ، يحتاج المصممون إلى الخوض في ذاكرة الوصول العشوائي الكهرومائية المتقدمة (F-RAM) كجهاز منخفض الطاقة ومنخفض الطاقة يتطلب موثوقية عالية واستهلاكًا منخفضًا للطاقة وسرعة أكبر من حلول NVM الحالية اختيار السيارات NVM.
تتناول هذه المقالة الميزات الرئيسية لتقنية F-RAM وتصف كيف يمكن للمطورين استخدام Cypress أشباه الموصلات يعمل حلا F-RAM الخاصان بالشركة على تعزيز موثوقية ADAS ، واستخدام ADAS كبديل لتوسيع استخدام F-RAM للتطبيقات الأخرى ذات المهام الحرجة.
متطلبات السيارات NVM
تواصل صناعة السيارات دمج أجهزة استشعار أكثر تقدمًا بدقة أعلى ومعدلات تحديث أسرع ، وتجسد تطبيقات سلامة السيارات هذا الاتجاه الصناعي. تستمر الأنظمة الفرعية للسيارات مثل ADAS ووحدات التحكم الإلكترونية (ECUs) ومسجلات بيانات الأحداث (EDR) في التطور وتعتمد بشكل كبير على كميات هائلة من البيانات التي تم جمعها من أجهزة استشعار مختلفة. أي فقدان للبيانات ، أو حتى تباطؤ في الوصول إلى البيانات ، من المحتمل أن يضر بأمن النظام والمركبة والركاب.
على سبيل المثال ، في تصميمات ADAS ، يمكن أن يؤدي الوقت المطلوب للكتابة إلى ذاكرة القراءة فقط القابلة للبرمجة كهربائيًا (EEPROM) إلى أوقات تأخير كارثية ، مما يؤدي إلى استجابات بطيئة لوظائف التشغيل الآلية المصممة لتجنب اكتشاف الظروف الخطرة. في تصميم EDR ، إذا تسبب حادث سيارة في انقطاع التيار الكهربائي ، فقد تؤدي عمليات الكتابة البطيئة إلى فقدان بيانات المستشعر الحرجة ، مما يؤدي إلى محو البيانات اللازمة لفهم السبب الجذري للحادث.
ميزات F-RAM NVM
يمكن لأجهزة الذاكرة التي تم إنشاؤها باستخدام تقنية F-RAM أن تحل محل NVMs بشكل فعال لتلبية المتطلبات المتزايدة ومتطلبات الأداء لتخزين البيانات الموثوق به والوصول عالي السرعة. هذه الأجهزة مصنوعة من الرصاص الزركونات تيتانات (Pb[ZrxTi1−x]O3 ، يُختصر كـ PZT). تتمتع PZT بخاصية فريدة تتمثل في أنه عند تطبيق مجال كهربائي ، فإن الوظائف المعدنية (الكاتيونات) المضمنة في بلورة PZT تكتسب إحدى حالتين من حالات الاستقطاب المحتملة (لأعلى أو لأسفل) اعتمادًا على اتجاه المجال الكهربائي (الشكل 1).
الشكل 1: تستفيد تقنية F-RAM من حالتي الطاقة المستقرة على قدم المساواة التي تظهرها مواد PZT عند تعريضها لمجال كهربائي.
نظرًا لأن كلاهما حالتان منخفضتان للطاقة ، عند إزالة المجال الكهربائي ، سيستمر الكاتيون في حالة الاستقطاب الأخيرة (الشكل 2). عندما يتم تطبيق مجال كهربائي موجب أو سالب ، سينتقل الكاتيون مرة أخرى بسرعة إلى حالة الاستقطاب المناسبة ، بعد حلقة تباطؤ مميزة مماثلة لتلك الموجودة في المواد المغناطيسية.
الشكل 2: تتبع مادة PZT حلقة التباطؤ المميزة ، والتبديل بين حالتين من حالات الاستقطاب المستقرة استجابةً لمجال كهربائي مطبق.
تحدد خصائص تقنية F-RAM بشكل مباشر أن أجهزة NVM المصنعة بهذه التقنية لها العديد من المزايا. كلتا حالتا الطاقة PZT مستقرتان بشكل متساوٍ ، لذلك يمكن أن يظل الكاتيون في موقعه الأخير لعقود أو حتى قرون ، مما يتيح لأجهزة F-RAM NVM القائمة على PZT مع فترات غير مسبوقة للاحتفاظ بالبيانات. بالإضافة إلى ذلك ، تعتمد هذه التقنية على مواقع الكاتيون بدلاً من آلية تخزين الشحن لتقنيات NVM الأخرى ، لذا فإن أجهزة F-RAM هي بطبيعتها تتحمل الإشعاع وهي محصنة ضد الانقلاب أحادي الحدث عن طريق الإشعاع المؤين.
بالإضافة إلى مزايا التخزين طويل المدى ، تعمل تقنية F-RAM على تحسين الأداء الديناميكي لأجهزة NVM. تعتبر انتقالات الحالة سريعة جدًا وتتطلب القليل جدًا من الطاقة ، وتتغلب على القيود الأساسية المرتبطة باستخدام EEPROM أو ذاكرة الفلاش في التطبيقات ذات المهام الحرجة. أثناء دورات الكتابة البطيئة نسبيًا ، تتطلب أجهزة EEPROM و Flash قدرًا كبيرًا من “نقع TIme” المرتبط بالتخزين المؤقت للبيانات. يؤدي هذا التأخير الإضافي في دورة الكتابة إلى تعريض البيانات للخطر ، والتي يمكن أن تضيع تمامًا في حالة انقطاع التيار الكهربائي قبل اكتمال العملية والتحقق من حالة القراءة النهائية (الشكل 3).
الشكل 3: مقارنة بأجهزة F-RAM ، تتطلب عمليات الكتابة EEPROM أو الفلاش أوقاتًا أطول بكثير (مظللة باللون الأحمر) ، والتي خلالها لا تزال البيانات معرضة للخطر.
لمواجهة دورات الكتابة البطيئة لـ EEPROM أو الفلاش ، يحتاج المطورون الذين يرغبون في التخفيف من آثار انقطاع التيار الكهربائي إلى إضافة مكثفات أو بطاريات سائبة ومنظمات الجهد المناسبة للحفاظ على جهد إمداد NVM لفترة كافية لإكمال عملية الكتابة. في المقابل ، تعمل F-RAM ، مثل أجهزة Excelon-Auto Cypress Semiconductor ، بسرعة الحافلة أثناء عمليات الكتابة ، مما يقلل بشكل كبير من احتمالية فقدان البيانات الحرجة ويلغي الحاجة إلى مصادر طاقة إضافية في التصميم.
أجهزة F-RAM من فئة السيارات
تتشابه أجهزة Excelon ™ -Auto F-RAM وظيفيًا مع Serial EEPROM و Serial Flash وهي مصممة لتلبية احتياجات NVMs الموثوقة وعالية الأداء في التطبيقات ذات المهام الحرجة. يمكن لمصممي أنظمة السيارات استخدام هذه الأجهزة المؤهلة AEC-Q100 لاستبدال أنواع أخرى من الذاكرة ؛ يتوفر طرازان: CY15V102QN يعمل من 1.71 إلى 1.89 فولت ، ويعمل CY15B102QN من 1.8 إلى 3.6 فولت. كلا الجهازين 2 ميغا بايت مع تنظيم منطقي 256 كيلو بايت × 8.
على مدى نطاق درجة حرارة التشغيل من -40 درجة مئوية إلى + 125 درجة مئوية ، فإن فترة الاحتفاظ بالبيانات في Excelon F-RAM تتجاوز بكثير تقنيات NVM الأخرى. على سبيل المثال ، يمكن لـ CY15x102QN الاحتفاظ بالبيانات لما يقرب من 121 عامًا عند التشغيل عند 85 درجة مئوية. تتناسب فترة الاحتفاظ بالبيانات عكسيًا مع درجة الحرارة ، وإذا تم إجبارها على العمل عند الطرف الأعلى لدرجات حرارة المحرك النموذجية (على سبيل المثال ، 95 درجة مئوية) ، فإن F-RAM لديها فترة الاحتفاظ بالبيانات المقدرة بـ 35 عامًا.
من حيث الموثوقية ، تتمتع F-RAM بقدرة تحمل لدورة القراءة / الكتابة تبلغ 1013 ، وهو ما يزيد بحوالي 7 أوامر من حيث الحجم عن ذاكرة EEPROM النموذجية أو ذاكرة الفلاش. لذلك ، لا يحتاج المطورون الذين يستخدمون أجهزة F-RAM إلى تنفيذ تقنيات مثل تسوية التآكل (توزيع عمليات الكتابة عبر القطاعات لمعالجة دورات الكتابة المحدودة لتقنيات NVM الأخرى).
تصميم مبسط باستخدام F-RAM
في تصميم نموذجي ، يمكن للمطورين استخدام هذه الأجهزة لاستبدال أو استكمال أنواع أخرى من أجهزة NVM ، مثل NOR flash. على سبيل المثال ، في تصميمات ADAS ، يمكن للمطورين استخدام كل من فلاش NOR لتخزين البرامج الثابتة و Excelon F-RAM للتعامل بشكل موثوق مع تدفقات البيانات المتعددة من العديد من الأنظمة الفرعية للسيارات التي توفر مدخلات لتطبيقات ADAS (الشكل 4).
الشكل 4: يمكن لمطوري السيارات ADAS دمج أجهزة Excelon F-RAM (المستخدمة لتخزين البيانات الهامة) مع أجهزة فلاش NOR (غالبًا ما تستخدم لتخزين البرامج الثابتة أو بيانات التكوين) في تصميمات تعتمد على وحدة التحكم الدقيقة (MCU).
يمكن للمطورين دمج Excelon F-RAM في التصميم بسهولة عن طريق توصيله بناقل الواجهة التسلسلية (SPI) للمعالج المضيف. تم تصميم CY15x102QN F-RAM ليعمل كعبد SPI ، ويدعم معدلات ساعة SPI التي تصل إلى 50 ميغا هرتز (MHz). في تكوين الأجهزة النموذجي ، يربط المطور الإدخال التسلسلي (SI) والإخراج التسلسلي (SO) من F-RAM إلى سطور الإدخال الرئيسي للإخراج الفرعي (MOSI) وخرج الإدخال الرئيسي (MISO) لخطوط SPI الرئيسية ، على التوالي . الاتصالات اللاحقة بالساعة التسلسلية المناسبة (SCK) وخطوط تحديد الشريحة (/ CS) تكمل واجهة الجهاز. يمكن للمطورين دمج أجهزة متعددة لمشاركة ناقل SPI الخاص بالمضيف (الشكل 5).
الشكل 5: يمكن للمطورين استخدام ناقل SPI مشترك لتوصيل معالج مضيف بواحد أو أكثر من ذاكرة الوصول العشوائي CY15x102QN.
بالنسبة لوحدات MCU التي لا تحتوي على وظيفة SPI ، تدعم أجهزة CY15x102QN بديلاً بسيطًا لاستخدام IO (GPIO) للأغراض العامة لوحدة التحكم الدقيقة لمحاكاة واجهة جهاز SPI للاتصال بـ F-RAM. يمكن للمطورين تنفيذ هذه الواجهة باستخدام ثلاثة GPIOs فقط ، نفس الدبوس لخطوط بيانات SI و SO الخاصة بـ F-RAM (الشكل 6).
الشكل 6: بالنسبة لوحدات التحكم الدقيقة التي لا تحتوي على وظيفة SPI الأصلية ، يمكن للمطورين ببساطة استخدام IO للأغراض العامة لوحدة التحكم الدقيقة لمحاكاة بروتوكول SPI للوصول إلى CY15x102QN التسلسلي F-RAM.
في بروتوكول SPI القياسي ، يبدأ الجهاز الرئيسي المعاملة عن طريق سحب / CS منخفض. بعد انخفاض / CS ، يفسر F-RAM البايت التالي على أنه كود تشغيل. على سبيل المثال ، تتوافق عملية الكتابة مع كود التشغيل القياسي SPI (02h) ، بالإضافة إلى عنوان ثلاثي البايت وبعض بايتات البيانات (الشكل 7).
الشكل 7: تدعم أجهزة Cypress CY15x102QN F-RAM أكواد وبروتوكولات تشغيل SPI القياسية ، مما يسمح للمطورين بأداء عمليات الكتابة ذات زمن الوصول الصفري بسهولة عن طريق إرسال رمز تشغيل الكتابة (02h) والعنوان والبيانات بالتسلسل.
بالنسبة إلى 2 ميجا بايت CY15x102QN F-RAM ، يكون العنوان عبارة عن تسلسل ثلاثي البايت ، مع تجاهل البتات الست العلوية. توصي Cypress بتعيين هذه البتات الست العلوية على الصفر لتسهيل الانتقال إلى أجهزة F-RAM عالية الكثافة في المستقبل.
قراءة العمليات اتبع نفس البروتوكول. بعد تلقي رمز التشغيل القياسي للقراءة (03h) والعنوان ، يرسل جهاز F-RAM بشكل تسلسلي بايت البيانات من خلال SO ، وزيادة عنوان الذاكرة تلقائيًا ، بينما يتم الاحتفاظ بـ / CS منخفضًا ويستمر إنشاء إشارة الساعة. لذلك ، يمكن للمطورين إجراء عمليات قراءة مجمعة ببساطة عن طريق الضغط على / CS منخفض والاستمرار في تسجيل SCK حتى يتم قراءة العدد المطلوب من وحدات بايت البيانات.
تدعم CY15x102QN F-RAM أيضًا وظيفة القراءة السريعة المتوافقة مع الفلاش التسلسلي. بعد قراءة رمز التشغيل السريع (0Bh) والعنوان ، يرسل رئيس SPI بايتًا وهميًا لمحاكاة زمن انتقال قراءة الفلاش. بعد تلقي البايت الوهمي ، تستجيب F-RAM بالبيانات المطلوبة. تستخدم القراءات السريعة نفس آلية القراءات القياسية ويمكنها أيضًا إجراء عمليات قراءة مجمعة.
حماية الكتابة
بالإضافة إلى منطق التحكم في واجهة SPI ، يوفر CY15x102QN F-RAM آليات أخرى لتحديد الجهاز وحماية صفيف F-RAM ضد الكتابة.
يمكن للمطورين إصدار أكواد تشغيل SPI للوصول إلى المعرف الفريد للقراءة فقط لجهاز CY15x102QN ومعرف الجهاز للحصول على معلومات مثل الشركة المصنعة وكثافة الذاكرة والمراجعة الجزئية. يمكن للمطورين أيضًا تعيين سجل الرقم التسلسلي للقراءة / الكتابة 8 بايت لربط F-RAM بنظام أو تكوين معين.
فيما يتعلق بحماية F-RAM ، يوفر الجهاز آليات البرامج والأجهزة. لحماية البيانات أثناء التصنيع ، يحافظ قطاع خاص 256 بايت على تكامل البيانات لما يصل إلى ثلاث دورات قياسية لإعادة التدفق. للحماية أثناء التشغيل العادي ، يستخدم الجهاز مزلاج تمكين الكتابة (WEL) لحماية مجموعة F-RAM من عمليات الكتابة غير المقصودة. عند التشغيل ، يتم مسح WEL افتراضيًا ويتطلب من المطور إصدار كود تشغيل لتمكين الكتابة (WREN) (06h) لإجراء عملية كتابة.
يحتوي سجل حالة الجهاز على زوج من بتات حماية الكتلة (BP) ، BP0 و BP1 ، والتي تسمح للمطورين بحماية نطاق عناوين الذاكرة بالكامل (BP1 = 1 ، BP0 = 1) ، أو النصف العلوي فقط من الذاكرة (BP1 = 1 ، BP0 = 0) ، أو حماية الربع العلوي فقط من الذاكرة (BP1 = 0 ، BP0 = 1).
يمكن للمطورين استخدام دبوس الحماية ضد الكتابة للأجهزة (/ WP) لمنع البرنامج من تعديل بت BP أثناء التشغيل العادي. للقيام بذلك ، يقوم المطور بتعيين بت تمكين الحماية ضد الكتابة (WPEN) في سجل الحالة ويقوم بتشغيل دبوس / WP منخفضًا لقفل سجل الحالة.
إدارة الطاقة
تسمح كفاءة الطاقة المتأصلة في تقنية F-RAM لـ CY15V102QN (VDD 1.71 إلى 1.89 فولت) باستهلاك 5.0 مللي أمبير (مللي أمبير) فقط من التيار النموذجي أثناء التشغيل العادي بمعدلات ساعة تصل إلى 50 ميجا هرتز. يمكن للمطورين تقليل تردد الساعة لتوفير المزيد من الطاقة ، وينخفض استهلاك CY15V102QN الحالي إلى حوالي 0.4 مللي أمبير عند 1 ميجا هرتز. الاستهلاك الحالي لـ CY15B102QN (VDD 1.8 إلى 3.6 V) أعلى قليلاً فقط ، 6.0 مللي أمبير عند 50 ميجا هرتز و 0.5 مللي أمبير عند 1 ميجا هرتز.
خلال فترات عدم النشاط الطويلة ، يمكن للمطورين تقليل استهلاك الطاقة بشكل كبير باستخدام أكواد التشغيل SPI لضبط الجهاز CY15x102QN في واحد من ثلاثة أوضاع منخفضة الطاقة:
في وضع الاستعداد ، يبلغ الاستهلاك الحالي النموذجي 2.7 ميكرو أمبير (μA) لـ CY15V102QN و 3.2 ميكرو أمبير لـ CY15B102QN
وضع توفير الطاقة العميق ، 1.1 μA لـ CY15V102QN و 1.3 μA لـ CY15B102QN
وضع السكون ، 0.1 ميكرو أمبير لكلا الجهازين
يتحول الجهاز CY15x102QN تلقائيًا إلى وضع الاستعداد عندما يقوم SPI master بتعيين / CS مرتفعًا في نهاية تسلسل كود التشغيل. لتبديل الجهاز إلى وضع توفير الطاقة أو السكون العميق ، يجب أن يستخدم رئيس SPI بروتوكول شفرة تشغيل SPI. على وجه التحديد ، الخطوات الخاصة بـ SPI master للتبديل إلى أحد وضعي الطاقة الأقل كالتالي: الضبط الأول / CS low ، ثم إرسال كود تشغيل خاص (BAh لتوفير الطاقة بشكل عميق ، B9h للنوم) ، وأخيراً / CS هو تعيين عاليا (الشكل 8).
الشكل 8: CY15x102QN تدخل أجهزة F-RAM تلقائيًا في وضع الاستعداد بعد تسلسل رمز التشغيل ، ولكن يمكن للمطورين استخدام إجراءات رمز التشغيل العادي SPI لوضعها في أوضاع طاقة منخفضة مثل Deep Power Save (DPD).
عندما يضبط SPI master / CS عاليًا بعد إرسال كود التشغيل المناسب منخفض الطاقة ، يدخل CY15x102QN F-RAM وضع الطاقة المنخفضة المطلوب في حوالي 3 ميكرو ثانية.
في وضع الاستعداد ، يعود Cypress F-RAM على الفور إلى الوضع النشط لبدء تسلسل كود التشغيل التالي عندما ينخفض / CS. في وضع التوفير العميق للطاقة أو السكون ، تعود F-RAM أيضًا إلى الوضع النشط بعد انخفاض / CS ، ولكن هناك تأخير قصير يبلغ حوالي 10 ميكرو ثانية لوضع توفير الطاقة العميق و 450 ميكرو ثانية في وضع السكون.
لخص
أصبحت الحاجة إلى NVMs موثوقة وسريعة ومنخفضة الطاقة وعالية الأداء ذات أهمية متزايدة في مجموعة متنوعة من التطبيقات التي تعتمد على عدد متزايد من أجهزة الاستشعار لتوفير البيانات. في التطبيقات ذات المهام الحرجة مثل ADAS للسيارات ، يمكن لفقدان البيانات أن يضر بشدة بآليات السلامة المصممة لحماية السيارة وركابها.
باستخدام أجهزة F-RAM من Cypress Semiconductor ، يمكن للمطورين بسهولة إضافة NVMs التي يمكنها تخزين البيانات الهامة بشكل موثوق لعقود دون التضحية بالأداء أو متطلبات الطاقة المنخفضة.