Fram память что это
Обновлено: 04.07.2024
В статье рассматриваются основные преимущества энергонезависимой сегнетоэлектрической памяти (FRAM) производства Fujitsu Semiconductor перед другими типами энергонезависимой памяти и подробно описываются потенциальные области ее применения.
На сегодняшний день известно несколько промышленных технологий производства энергонезависимой памяти и несколько перспективных технологий, не покинувших пока стены научных лабораторий. Самыми старыми и распространенными типами энергонезависимой памяти с электрическим перепрограммированием являются EEPROM и Flash. Эти типы памяти основаны на технологии пространственного переноса заряда, которая практически полностью совместима с КМОП-технологией. Благодаря этому микросхемы памяти EEPROM и Flash до сих пор не имеют конкурентов по себестоимости производства.
Однако они характеризуются рядом существенных недостатков. Первый из них — медленная скорость записи информации, а второй — малое число циклов перезаписи информации, что существенно снижает надежность микросхем памяти этого типа. К тому же, первые микросхемы памяти EEPROM и Flash требовали подачи дополнительного высокого напряжения при программировании — порядка 12 В, что также затрудняло их использование.
Преимущества FRAM
Первой ласточкой, возвестившей наступление новой эры энергонезависимой памяти, стало появление в конце прошлого века принципиально новой сегнетоэлектрической памяти (FRAM). Принцип действия этого типа памяти основан не на пространственном переносе заряда, а на поляризации диэлектрика внешним электрическим полем. С этой целью использовался диэлектрик, сохраняющий поляризацию при снятии внешнего электрического поля. При этом памяти FRAM удалось преодолеть все упомянутые недостатки EEPROM и Flash. Кроме того, память FRAM обладает меньшим полным энергопотреблением по сравнению с EEPROM. Более подробно отличия между памятью FRAM и EEPROM проиллюстрированы на рисунках 1–3.
Рис. 1. Сравнение гарантированного количества циклов перезаписи FRAM и EEPROM
Кроме этих трех преимуществ у сегнетоэлектрической памяти имеется еще пара полезных свойств: стойкость к радиационному облучению (до 50 кГр) и невозможность считать содержимое памяти с кристалла микросхемы различными методами обратного проектирования, например сканирующим атомно-силовым микроскопом, поскольку технология FRAM не переносит заряд.
Рис. 2. Сравнение скоростей записи во FRAM и EEPROM при одинаковых условиях
Рис. 3. Сравнение полного энергопотребления FRAM и EEPROM при одинаковых условиях
К настоящему времени кроме FRAM, Flash и EEPROM используются и другие типы энергонезависимой памяти. Среди них самыми распространенными являются BBSRAM (память SRAM со встроенной батарейкой), nvSRAM (комбинация памяти SRAM и EEPROM) а также MRAM (магниторезистивная RAM). Они обладают как достоинствами, так и недостатками по сравнению с FRAM. Подробное сравнение основных характеристик наиболее перспективных типов памяти можно увидеть в таблице 1.
Таблица 1. Сравнение основных характеристик наиболее перспективных типов быстродействующей энергонезависимой памяти
| Характеристики | FRAM (Fujitsu) (MB85R4M2TFN-G-ASE1) | nvSRAM (Cypress) (CY14B104NA-ZS20XI) | MRAM (Everspin) (MR2A16ACYS35) |
| Время записи, нс | 150 | 20 | 35 |
| Активный ток (чтение/запись), мА | 20 | 70 | 80/165 |
| Ток в режиме Standby/Sleep | 150/20 мкА | 5/- мА | 12/- мА |
| Количество циклов перезаписи | Не менее 10¹³ | Не ограничено для SRAM, но 1 млн для EEPROM | Не ограничено |
| Время хранения информации, лет | 10 (85°С) | 20 (не указана) | > 20 (не указана) |
| Внешний конденсатор | Не требуется | Требуется | Не требуется |
| Влияние внешнего магнитного поля | Не влияет | Не влияет | Влияет (в нашем случае — до 10000 А/м при чтении и записи) |
Применение FRAM
А теперь рассмотрим потенциальные области применения памяти FRAM на конкретных примерах.
Как упоминалось, сегнетоэлектрическая память обладает тремя главными преимуществами, которые и определяют ее перспективность для определенного круга задач. Вспомним их еще раз. Во-первых, это самое низкое полное энергопотребление при одинаковой скорости чтения/записи по сравнению с другими типами энергонезависимой памяти. Во-вторых, практически неограниченное число циклов перезаписи данных. В-третьих, большая скорость записи, сравнимая со скоростями записи в оперативную память.
Эти преимущества делают сегнетоэлектрическую память идеальной для устройств регистрации данных в реальном времени с автономной системой питания. Фактические возможности применения этого типа энергонезависимой памяти гораздо шире.
Приборы учета энергоресурсов
К подобным приборам, прежде всего, относятся электронные счетчики потребленной электроэнергии, расхода природного газа, тепла и воды. Эти устройства прямо или косвенно измеряют такие физические величины как электрические токи и напряжения, температуру и давление, а также учитывают их изменение в реальном времени.
Проще говоря, электронные счетчики есть ничто иное как регистраторы данных в реальном времени. К тому же некоторые такие приборы нуждаются в автономном питании.
В этих приборах память FRAM решает следующие задачи:
- промежуточное хранение результатов текущих измерений за определенный временной интервал;
- долговременное хранение данных по использованным ресурсам для дублирования показаний за определенные отчетные периоды;
- хранение текущих настроек приборов в случаях долговременного отключения питания или кратковременных просадок напряжения питания ниже допустимого уровня, в результате которых происходит, например, сброс микроконтроллера;
- повышение экономии энергии батарей и аккумуляторов при автономном питании.
Энкодеры, или преобразователи угловых перемещений
Это электромеханические устройства, которые преобразуют углы поворота вращающегося вала в электрические сигналы. Энкодеры бывают двух типов: инкрементальные и абсолютные. Они используются в промышленных роботах, обрабатывающих станках, подъемном и упаковочном оборудовании, лифтах и других приложениях для контроля скорости и координат.
Инкрементальные энкодеры преобразуют один полный оборот вала в определенное количество импульсов. При этом угол поворота определяется простым подсчетом этих импульсов. Абсолютные энкодеры определяют текущий угол поворота оси в любой момент времени, в т.ч. после пропадания питания. Многооборотные абсолютные энкодеры, к тому же, подсчитывают и запоминают количество полных оборотов вала.
В общем случае, структура таких преобразователей включает в себя оптический, магнитный или резистивный датчик угла, микроконтроллер и энергонезависимую память, в качестве которой может выступать FRAM. Частые повороты вала, особенно в многооборотных абсолютных энкодерах, не позволяют использовать стандартную память, например EEPROM или Flash.
Автоматические выключатели
Это электромеханические устройства, разработанные для защиты электрических цепей от повреждения при перегрузке или коротком замыкании. Основными выполняемыми функциями подобных устройств являются обнаружение аномального состояния электрической цепи и прерывание ее соединения с источником энергии в случае обнаружения такого состояния.
В автоматических выключателях используются два основных вида расцепителей: тепловой и электромагнитный. Первый из них представляет собой биметаллическую пластину, нагреваемую протекающим током, которая при превышении допустимого тока изгибается и приводит в действие механизм разрывающий соединение. Время срабатывания такого выключателя зависит от времятоковой характеристики биметаллической пластины и может составлять величины от нескольких секунд до часа.
Второй является расцепителем мгновенного действия и представляет собой электромагнит. В самом простом случае ток защищаемой цепи протекает непосредственно через обмотку электромагнита и при превышении допустимого значения вызывает втягивание сердечника, что приводит в действие механизм расцепления. Время срабатывания электромагнитного расцепителя составляет доли секунды.
Более продвинутые автоматические выключатели с электромагнитным расцепителем, используемые, например, для защиты высоковольтных линий электропередач, должны реагировать на аномальную ситуацию за 1–3 периода сетевого напряжения, т. е. за 20–60 мс и обеспечивать дополнительный функционал по регистрации параметров сети до и вовремя действия аномального явления. С этой целью необходимо использовать энергонезависимую память с быстрым временем записи, например FRAM. Память MRAM или BBSRAM применять для этих задач нецелесообразно по указанным выше причинам.
Устройства беспроводного мониторинга
В популярной ныне концепции «умный дом» и системах промышленной автоматизации все чаще наблюдается переход от традиционных проводных систем передачи информации к беспроводным технологиям, например Wi-Fi, ZigBee, Bluetooth или GSM/GPRS. Подобные устройства осуществляют измерение давления, температуры, потока, уровня и параметров безопасности различных объектов, пока, как правило, в труднодоступных местах, в которых по тем или иным причинам отсутствует возможность прокладки кабелей связи и питания.
Поскольку большинство беспроводных интерфейсов потребляет достаточно большое количество энергии при излучении сигнала, вопрос о снижении энергопотребления таких приборов выходит на первое место среди прочих.
Понизить общее энергопотребление таких устройств можно несколькими путями: использовать микросхемы и электронные модули с малым потребляемым током в активном режиме и с низким напряжением питания; как можно реже осуществлять передачу информации по беспроводным каналам связи; использовать как можно дольше режимы пониженного энергопотребления компонентов. Энергонезависимая память FRAM потребляет минимум энергии при записи информации и практически ничего не потребляет в режиме ожидания. Быстрая запись и практически неограниченное число циклов перезаписи данных позволяют сохранять измеренные значения в реальном времени с промежутком в 0,3 мс и предварительно обрабатывать их в микроконтроллере, снижая, таким образом, частоту пересылки данных по беспроводным интерфейсам.
Эти особенности делают память FRAM идеальной для такого рода приложений.
Программируемые логические контроллеры
В общем случае, программируемый логический контроллер (ПЛК) — это специализированное компьютерное устройство, работающее в режиме жесткой привязки к реальному времени и предназначенное для автоматизированного контроля и управления технологическими процессами. К нему подключаются аналоговые и цифровые датчики, исполнительные механизмы и т.д. Одной из задач ПЛК является обеспечение безопасности оборудования и персонала. Для осуществления этой задачи необходимо в реальном времени отслеживать состояние портов ввода-вывода, хранить эти состояния для последующего анализа и отчетности и очень быстро реагировать на различные внештатные ситуации работы оборудования, сохраняя параметры этих состояний для их последующего недопущения.
Как правило, ПЛК содержат микроконтроллеры или другие процессорные устройства и два вида памяти: память программ и память данных, в которой сохраняются все указанные состояния. В качестве памяти данных используют быстродействующую энергонезависимую память, такую как FRAM, MRAM, BBSRAM и nvSRAM.
DC/AC-инверторы в системах «зеленой» энергетики
Эти инверторы используются как в системах питания on-grid (без промежуточных аккумуляторов для хранения энергии), так и в off-grid (с промежуточными аккумуляторами для хранения энергии) совместно с аккумуляторами, солнечными панелями, ветряными генераторами, дизельными генераторами и другим подобным оборудованием. В задачи инверторов кроме непосредственного преобразования тока из постоянного в переменный входит обеспечение безопасности оборудования на стороне постоянного и переменного токов. В результате возникает необходимость в ежесекундном мониторинге напряжений, токов и частоты сети в круглосуточном режиме. Кроме того, эти устройства должны обеспечивать малое собственное энергопотребление.
Таким образом, важными параметрами энергонезависимой памяти для этого типа приложений являются малое энергопотребление, высокая скорость записи и большое число циклов перезаписи, а этим требованиям удовлетворяет в полной мере только память FRAM.
Автомобильные черные ящики (black boxes)
Помимо всех прочих функций автомобильные черные ящики еще и регистрируют данные. Они записывают и хранят информацию, связанную с транспортными происшествиями и несчастными случаями. Эти сведения включают в себя информацию о скорости, торможении, включенном свете, состоянии дверей, пробеге, ускорении, положении руля и т.д. Для анализа ситуации о происшествии и создания его полной картины требуется записать и сохранить все эти параметры примерно за 20 с непосредственно до происшествия. С этой целью используется быстродействующая энергонезависимая память, но поскольку подобные устройства питаются от бортовой сети автомобиля, они должны обладать малым энергопотреблением. Для таких приложений целесообразнее выбирать память FRAM.
Носимые POS-терминалы, алкотестеры и т.д.
Это оборудование используется для продажи и контроля билетов, тестирования на степень алкогольного опьянения и других подобных задач. Как правило, подобные устройства оснащаются термопринтерными механизмами для распечатки квитанций или чеков и памятью, которая дополнительно фиксирует информацию для последующей отчетности перед руководством и контролирующими органами. К носимому оборудованию также предъявляются требования по минимизации энергопотребления. В этом случае память FRAM также может прийти на помощь.
Кроме описанных выше ситуаций память FRAM от Fujitsu Semiconductor можно использовать и в некоторых общих случаях. Например, постоянное увеличение объема памяти выпускаемых микросхем позволяет применять их в оборудовании с несколькими типами памяти для замены одной микросхемой FRAM двух и более микросхем SRAM, EEPROM и Flash, что в целом приводит к снижению себестоимости конечного изделия.
Также можно использовать сегнетоэлектрическую память в качестве резервной совместно с обычной SRAM-памятью. Это позволит избавиться от дополнительной батарейки или ионистора, которые питают SRAM при пропадании питания. Преимущества такого решения подробно описаны в таблице 2.
Таблица 2. Преимущества решения по замене резервного источника питания микросхемой FRAM-памяти
Недавно компания Texas Instruments анонсировала новое семейство микроконтроллеров, в которых наиболее распространенная сегодня Flash память заменена энергонезависимой памятью FRAM. В статье мы рассмотрим основы и оценим основные преимущества FRAM технологии, затронем концепцию «универсальной памяти» и увидим, что могут выиграть встраиваемые приложения от использования микроконтроллеров с FRAM памятью.
Что такое FRAM?
«FRAM» означает Ferroelectric Random Access Memory – сегнетоэлектрическая память с произвольным доступом. Другими компаниями могут использоваться акронимы F-RAM или FeRAM.
Основными отличиями FRAM от других типов энергонезависимой памяти является низкое энергопотребление, высокая скорость записи и высокая надежность хранения данных.
FRAM – память с уникальными свойствами, которые принципиально отличают ее от других типов запоминающих устройств. FRAM энергонезависима и, в тоже время, предоставляет возможность произвольного доступа к любой отдельной ячейке, как для чтения, так и для записи. Таким образом, FRAM заполняет пробел между двумя категориями и создает нечто новое – энергонезависимое ОЗУ. В отличии от EEPROM или Flash-памяти, FRAM не требует специальной последовательности для записи данных и не нуждается в высоком напряжении программирования. Энергонезависимость FRAM достигается благодаря использованию специального диэлектрического материала в структуре конденсатора хранения – сегнетоэлектрической керамики. Термин «сегнетоэлектрический (ferroelectric)» не означает, что память содержит железо (химический элемент Fe) и не означает, что на память могут влиять магнитные поля. На самом деле, от действия магнитных полей она защищена.
| Рисунок 1. | Петля гистерезиса сегнетоэлектрика. |
Происхождение термина связано со сходством петли гистерезиса сегнетоэлектрика (Рисунок 1) с петлей магнитного гистерезиса железа. Однако, в отличие от последнего, гистерезис FRAM обусловлен электрическими диполями, образованными атомами циркония (Zr) и кислорода (O) в керамическом кристалле цирконата-титана свинца, используемом для изготовления FRAM (Рисунок 2).
| Рисунок 2. | Кристаллическая решетка цирконата-титана свинца. |
Приложенное электрическое поле (E) может поляризовать материал, «передвигая» атомы циркония в кристаллической решетке. Но для перемещения атомов циркония с одной стороны атома кислорода (в нашем примере сверху) в другую (вниз), необходимо преодолеть барьер, образованный атомами кислорода (O). Таким образом, по мере увеличения напряженности поля, атомы циркония постепенно приближаются к атомам кислорода, и при определенном уровне напряженности резко смещаются вниз (Рисунок 2). Если затем поле изменит направление на противоположное, ситуация повторится относительно обратного направления. Это произойдет при напряженности поля того же уровня, но противоположного знака. Поведение материала в электрическом поле, иллюстрируется Рисунком 3.
| Рисунок 3. | Поляризация. |
Непосредственно после производства диполи, образованные атомами циркония и кислорода, имеют случайную поляризацию, вследствие чего результирующая поляризация отсутствует. Под воздействием внешнего электрического поля диполи ориентируются в одном направлении, создавая поляризацию, направление которой определяется электрическим полем. Поскольку положение атомов циркония в кристаллической решетке устойчиво, поляризация сохраняется и после исчезновения внешнего поля
Почему FRAM? Пример приложения
Основные преимущества микроконтроллера со встроенной FRAM памятью будут проиллюстрированы на примере приложения сбора данных. Это, как правило, узел с несколькими датчиками, который регистрирует и накапливает информацию о различных физических величинах или условиях окружающей среды, таких, как температура, влажность, вибрация, давление, наличие загрязняющих веществ и пр. (Рисунок 4).
 | |
| Рисунок 4. | Система регистрации и накопления данных. |
FRAM: универсальная память
В системе регистрации и сбора данных размер программного кода, отвечающего за измерение и накопление данных, может быть сравнительно небольшим по отношению к объему памяти для хранения данных. Для приложений, в которых использование внешней памяти нежелательно, и данные должны храниться в оперативной памяти «традиционных» Flash-микроконтроллеров, пришлось бы выбирать контроллер с объемом памяти, значительно превышающим потребности приложения. FRAM-микроконтроллеры позволяют из общего объема памяти выделить область для программы, а бóльшую часть памяти сделать доступной для хранения данных.
Такая концепция называется «Единая память» (Рисунок 5). Универсальная память позволяет реализовать гибкое разделение всего объема памяти под программный код и данные: один и тот же тип памяти может использоваться как для программ, так и для хранения данных, для которых в обычных микроконтроллерах используются различные типы памяти. Для поддержки концепции «универсальной памяти» FRAM микроконтроллеры MSP430 снабжены модулем защиты памяти, который позволяет «защищать» область памяти программ от случайной перезаписи.
| Рисунок 5. | Единая память микроконтроллера. |
Ресурс записи
FRAM память выдерживает несоизмеримое с другими видами энергонезависимой памяти количество циклов перезаписи (Рисунок 6). Применительно к системам сбора и накопления данных это означает намного больший срок службы при меньшей сложности. Например, если предположить, что запись набора данных происходит каждую секунду в ячейки с одинаковыми адресами, то при использовании Flash-микроконтроллера (с ресурсом 10,000 циклов перезаписи) расчетное время работы системы составило бы менее 3 часов. Срок службы такой же системы на базе FRAM-микроконтроллера превысил бы 3 млн. лет. Для увеличения срока службы систем сбора данных на Flash-микроконтроллерах применяют сложные выравнивающие (wear leveling) алгоритмы наряду с дополнительной внешней Flash-памятью. Эти алгоритмы пытаются выравнивать интенсивность использования каждой ячейки памяти. При работе с FRAM памятью не требуются ни подобные алгоритмы, ни внешняя память.
| Рисунок 6. | Единая память микроконтроллера. |
Быстрая запись
Дополнительным преимуществом FRAM технологии является быстрое выполнение операций записи. Для записи одного слова данных во Flash-память требуются десятки микросекунд. Например, для MSP430F5438, согласно спецификации, необходимо от 37 мкс до 85 мкс, в зависимости от режима программирования и условий процесса. Для других микроконтроллеров время записи иногда достигает 3 – 5 мкс. При этом не учитывается время на предварительное стирание сегмента, который будет перепрограммирован, на что уйдет еще несколько миллисекунд. Кроме того, на время записи, как правило, приостанавливается выполнение программы. При использовании FRAM запись одного слова данных займет 100 нс, при этом не потребуется операция предварительного стирания, и процесс выполнения программы практически не будет тормозиться.
Еще пример приложения: управление освещением
В качестве следующего примера можно рассмотреть радиоканальную систему управления освещением, получающую энергию от включенных светильников. В таком системе микроконтроллер и приемопередатчик бóльшую часть времени находятся в выключенном состоянии, а это означает, что все конфигурационные данные должны храниться в энергонезависимой памяти. К таким данным относятся, например, параметры радиочастотной сети. В интеллектуальных системах управления освещением с диммированием должна храниться дополнительная статусная информация.
Для программирования одного слова Flash-микроконтроллера потребуется заряд в несколько сотен нанокулон (нКл). Например, 100 мкс × 2 мА = 200 нКл. В то же время для FRAM-микроконтроллера достаточно заряда более чем в 100 раз меньшего (100 нс × 4 мА = 400 пКл). А это означает, что при одном и том же накопленном заряде в памяти микроконтроллера может храниться в 100 раз больше данных.
Примечание: заряд, необходимый для программирования, может варьироваться от устройства к устройству. Приведенные значения лишь иллюстрируют порядок величин.
Другие приложения
Микроконтроллеры со встроенной FRAM памятью могут использоваться в любых приложениях, где в настоящее время используются Flash-микроконтроллеры. Тем не менее, некоторые приложения от применения FRAM-микроконтроллеров получат дополнительные возможности и преимущества, а отдельные приложения могут быть реализованы только на базе FRAM памяти.
Несколько дополнительных приложений и сценариев приложений, которые могут получить дополнительные преимущества, благодаря использованию FRAM-микроконтроллера:
- Приложения сбора и накопления данных
- Системы преобразования, сбора и накопления энергии
- Приложения, где требуется обновление программы или параметров «на лету»
- Замена внешней EEPROM.
Семейство микроконтроллеров MSP430FR57xx
Наряду с интегрированной FRAM памятью, семейство микроконтроллеров MSP430FR57xx имеет ряд других уникальных особенностей, в частности, экстремально низкое энергопотребление в активном режиме – порядка 100 мкА/МГц. Кроме того, микроконтроллеры снабжены разнообразной периферией, включая коммуникационные порты, таймеры и 10-битные АЦП с интегрированным источником опорного напряжения.
Заключение
Интегрированная в микроконтроллеры энергонезависимая FRAM память может использоваться как в качестве памяти программ, так и для хранения данных. Память имеет малое потребление, высокую скорость записи и практически неограниченный срок службы. Такие микроконтроллеры могут использоваться в любых приложениях, а их уникальные свойства позволят реализовать приложения нового типа, о которых до настоящего времени мы не могли даже подумать.
Для автономно работающего прибора необходимость отслеживания уровня питающего напряжения и принятия специальных мер в случае его критического падения возникла не на пустом месте. Непреднамеренный сброс или отключение питания в результате сбоя приводит к потере данных, что всегда неприятно. В ряде случаев возникает необходимость сохранения данных приложения (контекста приложения) при штатном отключении питания. Одним из возможных решений является запись данных в EEPROM, на флеш-память, или на внешнюю энергонезависимую память.
В каждом из предложенных решений есть несколько подводных камней. Например, размеры EEPROM, как правило, ограничены несколькими сотнями байт. Запись во флеш-память требует соблюдения специальных процедур и предварительного стирания блоков или секторов в случае, если адреса, по которым требуется произвести запись, уже содержат данные. Кроме того, это достаточно ощутимые затраты времени, исчисляемые десятками, а то и сотнями миллисекунд. Внешняя память дополнительно к затратам времени увеличивает энергопотребление устройства и размеры печатной платы.
Технология энергонезависимой памяти FRAM
Ячейка типа 1T-1C, разработанная для FRAM, схожа по своему устройству с обоими типами ячеек, широко используемых в DRAM-памяти, включая структуру, состоящую из одного конденсатора и одного транзистора. В конденсаторе DRAM-ячейки используется линейный диэлектрик, тогда как в конденсаторе FRAM-ячейки применяется диэлектрическая структура, включающая в себя сегнетоэлектрик, Обычно его роль играет пьезокерамика PZT (цирконат-титанат свинца) [1, 2].
Сегнетоэлектрик (рис. 1) обладает нелинейной связью между применяемым электрическим полем и хранимым зарядом. В частности, сегнетоэлектрическая характеристика имеет вид петли гистерезиса, который очень схож в общих чертах с петлей гистерезиса ферромагнитных материалов.
Рис. 1. Структура кристалла сегнетоэлектрика
Рис. 2. Поведение слоя сегнетоэлектрика под действием внешнего электрического поля
Функционально FRAM похожа на DRAM. Запись происходит путем проникновения поля через сегнетоэлектрический слой при заряжании электродов, принуждая атомы внутри принимать ориентацию вверх или вниз (в зависимости от полярности заряда), за счет чего запоминается «1» или «0».
Технология FRAM присутствует на рынке уже более 10 лет, начиная с микросхем энергонезависимой памяти Ramtron International Corporation.Основные свойства FRAM:
- FRAM является энергонезависимой памятью (данные сохраняются после отключения питания);
- FRAM-память с произвольным доступом. В ней отсутствует деление на блоки или сегменты. Чтение или запись данных происходят аналогично обычной ОЗУ;
- процедура чтения или записи памяти не требует инициализации, снятия блокировки или настройки регистров управления;
- запись ячейки в FRAM требует меньше энергии, по сравнению с DRAM или флеш-памятью, поскольку не требует зарядки конденсатора ячейки памяти;
- запись ячейки возможна во всем рабочем диапазоне напряжения питания памяти;
- практически не ограниченное число циклов записи- порядка 10 15 ;
- память нечувствительна к наличию магнитных полей, т.к. кристаллы сегнетоэлектрика не содержат ионов железа;
- гарантированное время хранения данных- до 19 лет, при температуре 85°С.
Сравнение FRAM с основными типами памяти представлено в таблице 1.
Таблица 1. Сравнительные характеристики FRAM, SRAM, EEPROM и Flash памяти
Рис. 3. Организация памяти в обычных контроллерах и в контроллерах с FRAM
Контроллеры семейства MSP430FR57xx
Данное семейство является уникальным сочетанием оригинальной низкопотребляющей архитектуры и энергонезависимой памяти с динамически разделением на области. Обладая энергопотреблением порядка 100 мкА/МГц, контроллеры данного семейства имеют широкий набор периферийных устройств, включая коммуникационные порты, линии ввода-вывода, таймеры, АЦП и ЦАП (рис. 4).
Рис. 4. Структура микроконтроллеров семейства MSP430FR57xx
Архитектурные особенности контроллеров семейства MSP430FR57xx [6, 7]:
Таблица 2. Микроконтроллеры семейства MSP430FR57xx
| Наименование | Частота, МГц | FRAM, кБ | SRAM, байт | АЦП 10-бит, каналов | Компаратор | USCI_A (UART; SPI) | USCI_B (I 2 C; SPI) | Таймеры 16-бит | Корпус |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MSP430FR5725 | 8 | 8 | 1024 | 14 | 16 | 2 | 1 | 5 | 40VQFN |
| MSP430FR5728 | 8 | 16 | 1024 | 8 | 10 | 1 | 1 | 3 | 24VQFN |
| MSP430FR5729 | 8 | 16 | 1024 | 14 | 16 | 2 | 1 | 5 | 38TSSOP, 40VQFN |
| MSP430FR5730 | 24 | 16 | 512 | 8 | 10 | 1 | 1 | 3 | 24VQFN |
| MSP430FR5735 | 24 | 8 | 1024 | 14 | 16 | 2 | 1 | 5 | 40VQFN |
| MSP430FR5738 | 24 | 16 | 1024 | 8 | 10 | 1 | 1 | 3 | 24VQFN |
| MSP430FR5739 | 24 | 16 | 1024 | 14 | 16 | 2 | 1 | 5 | 38TSSOP, 40VQFN |
Ключевые особенности встроенной FRAM [3]:
- скорость чтения/записи больше в 160 раз, по сравнению с традиционной FLASH, при этом потребление энергии при работе с FRAM меньше в 250 раз;
- практически бесконечное число циклов перезаписи (10 15 );
- сохранение состояния после отключения питания и во всех режимах микроконтроллера;
- динамическое управление границами разделов и правами доступа.
FRAM-память в MSP430FR57xx поддерживает режимы побайтной и пословной записи. Имеет автоматические и настраиваемые такты ожидания доступа к памяти. Дополнительно реализована защита от ошибок памяти при помощи кодов с коррекцией ошибочного бита, битом ошибки и флагом индикации ошибки. В ходе выполнения программы из FRAM контроллер памяти использует двухканальный ассоциативный кэш на 4 байта, таким образом, за один раз выбирается 64 бита. Данное решение в ряде случаев ускоряет работу программ и дополнительно снижает количество циклов доступа к FRAM [1] (рис. 5).
Рис. 5. Структура FRAM-контроллера
Скорость работы, сравнимая со скоростью работы с RAM (время доступа
50 нс), а также сохранение состояния после пропадания питания позволяют использовать FRAM как единый универсальный массив памяти, что дает разработчику гибкие возможности по оптимизации встраиваемых приложений.
Так, для записи слова данных во флеш-память контроллерам необходимо от десятков микросекунд до нескольких миллисекунд времени (к примеру, MSP430F5438A тратит на запись слова от 37 до 85 мкс в зависимости от режима работы и условий программирования). И это в том случае, если не требуется предварительное стирание сегмента. Время записи одного слова FRAM составляет порядка 100 нс при отсутствии предварительного стирания сектора или отдельного блока.
Процессы неразрушающего чтения ячеек FRAM (чтение с восстановлением) абсолютно прозрачны для приложения и защищены от потери питания в любом режиме энергопотребления контроллера. Цепи питания FRAM в контроллере отделены от цепей основного питания, более того они включают в себя встроенный LDO-стабилизатор и конденсатор, способный хранить достаточный заряд для завершения процедуры записи ячейки при любом сбое питания.
Периферийные устройства
Наличие аналоговых периферийных устройств позволяет использовать данное семейство контроллеров для сбора и обработки аналоговых данных. Контроллеры семейства MSP430FR57xx включают в себя достаточно высокопроизводительный 10-битный АЦП со скоростью преобразования до 200 К выборок/секунду, встроенным источником опорного напряжения на 1,5; 2,0 и 2,5 В, управляемым временем выборки сигнала и двухпороговым компаратором. Ток потребления АЦП в активном режиме не превышает 150 мкА.
Основные возможности АЦП [3]:
- встроенное УВХ с программируемым временем выборки сигнала и периодом опроса;
- запуск преобразования программный или по прерыванию таймеров;
- возможность выбора между внутренним источником опорного напряжения и внешним источником;
- до 12 внешних входных каналов преобразования;
- 4 канала от внутренних источников: датчик температуры, монитор батареи, источник опорного напряжения;
- двухпороговый компаратор для отслеживания входных сигналов;
- несколько режимов преобразования: одиночное преобразование, периодический опрос одного канала, опрос последовательности каналов, периодический опрос последовательности каналов;
- выделенный регистр векторов прерывания АЦП.
Структурная схема АЦП представлена на рисунке 6 [3].
Рис. 6. Структура АЦП-контроллеров MSP430FR57xx
Структурная схема eUSART_A в режиме UART представлена на рисунке 7 [3].
Рис. 7. Структура eUSART_A в режиме UART
В SPI-режиме могут работать и eUSART_A-, и eUSART_B-интерфейсы. В данном случае подключение обеспечивается четырьмя линиями UCxSIMO, UCxSOMI, UCxCLK, и UCxSTE.
Основные возможности интерфейсов в режиме SPI:
- данные длиной 7, или 8 бит;
- передача младшим или старшим битом вперед;
- режимы ведущего и ведомого устройств;
- независимые буферы и сдвиговые регистры приемника и передатчика;
- режимы длительной передачи и приема данных;
- поддержка операций ведомого устройства в режиме LPM4;
- поддержка нескольких режимов SPI.
Структурная схема eUSART_x в режиме SPI представлена на рисунке 8 [3].
Рис. 8. Структурная схема eUSART_x в режиме SPI
Последовательный интерфейс eUSCI_B поддерживает режим двухпроводной последовательной шины I 2 C. В данном режиме поддерживается 7- и 10-битная адресация устройств, режимы работы с несколькими ведущими устройствами на шине, режим ведомого устройства с четырьмя аппаратно поддерживаемыми адресами. Поддерживается стандартный набор скоростей до 100 кбит/с, а также скоростной режим до 400 кбит/с. Ряд операций поддерживается также и в режимах низкого энергопотребления контроллера. Структурная схема eUSCU_B в режиме I 2 C представлена на рисунке 9 [3].
Рис. 9. Структурная схема eUSCU_B в режиме I 2 C
Средства разработки и отладки
В качестве среды разработки предлагается использовать Code Composer Studio (доступна бесплатная версия с ограничением по коду в 16 кбайт). Также контроллеры данного семейства поддерживаются IAR-EW430 v5.20.
Для быстрого старта разработки на MSP430FR5739 предлагается использовать отладочную плату MSP-EXP430FR5739 (рис. 10). Плата оснащена USB-программатором-эмулятором ezFET, трехосевым акселерометром, NTC-термистором, парой кнопок и разъемом для подключения стандартных радиомодулей TI для CC1xх, CC2xх, модуля Wi-Fi.
Рис. 10. Отладочная плата MSP-EXP430FR5739
Целевые приложения контроллеров
семейства MSP430FR57xx
Уникальное сочетание свойств контроллеров семейства MSP430FR57xx позволяет просто и элегантно решить ряд проблем в системах сбора и хранения данных, контроля и управления доступом, в ряде других встраиваемых приложений с автономным питанием.
Применение контроллеров с FRAM для узлов беспроводных сенсорных сетей существенно снижает затраты энергии на обновление программного обеспечения узла, позволяет предотвратить потери данных при выходе системы питания узла из строя или при разряде его источника питания.
Аналогичная ситуация будет и с системами сбора и хранения данных, таких как трекеры, расходометры, сейсмодатчики, автоматические метеостанции, охранно-пожарные сигнализации, системы мониторинга жизнедеятельности. Способ записи и расхода энергии FRAM позволяют вести более комплексное наблюдение за счет большего по сравнению с EEPROM объема памяти и возможности длительного хранения данных. Отпадает необходимость во внешних носителях данных.
В системах контроля и управления доступом возникает проблема многократной перезаписи небольшого объема данных при небольших габаритах и энергопотреблении. Ресурсы EEPROM или Flash-памяти могут быть быстро исчерпаны. Контроллер с FRAM позволяет уменьшить число позиций в списке материалов, продлить срок службы устройства, использовать дополнительные алгоритмы для защиты данных.
Заключение
Лучшее в своем классе энергопотребление и богатый набор периферии позволяют использовать семейство для разработки бытовых автономных устройств, а также для промышленных применений. Микроконтроллеры с FRAM-памятью идеально подходят для построения автономных устройств с возможностью ведения длительного лога данных, узлов беспроводных систем сбора данных, работающих по стандартам ZigBee, 6LoWPAN.
В первой половине 2013 года Texas Instruments планирует представить контроллеры FRAM с объемом памяти до 64 К, уменьшенным временем выхода из спящего режима и богатым набором периферийных устройств.
Литература
2. Volker Rzehak. Low-Power FRAM Microcontrollers and Their Applications//
Потребление электроэнергии во всем
мире непрерывно растет. В связи с этим повышается спрос на новаторские решения для
измерения энергии и рационального управления энергопотреблением. Современные
инженерные решения в области микроэлектроники требуют производительных, надежных и экономных по питанию электронных
компонентов. Компания Ramtron предлагает
микросхемы сегнетоэлектрической памяти
FRAM (Ferroelectric RAM).
FRAM представляет собой запоминающее
устройство, которое по своему строениюэлектрика вместо диэлектрического слоя для
обеспечения энергонезависимости. Это отличная альтернатива технологиям энергонезависимой памяти, с такой же функциональностью, как у Flash-памяти.
Микросхемы FRAM-памяти с успехом заменяют память EEPROM, Flash или SRAM.
Основные свойства FRAM таковы, что с ее
внедрением удается заметно повысить эффективность и надежность работы системы
в целом, а энергопотребление снизить до минимально возможного уровня, согласно современным стандартам энергосбережения.
Главные преимущества FRAM по сравнению с другими типами памяти:
- Отсутствие задержки в цикле записи:
чтение и запись происходит на скорости
шины обмена данными. - Микросхемы FRAM совместимы по выводам с микросхемами памяти других
типов. Можно легко заменить микросхемы EEPROM, Flash или SRAM на FRAM,
а также заменить одним модулем FRAM
комбинацию устройств ОЗУ-ПЗУ. - Энергонезависимый длительный срок хранения информации (>10 лет).
- Промышленный рабочий диапазон температур: –40…+85 °C.
- Низкое энергопотребление при чтении
и записи — около 15 мА (в режиме ожидания — не более 15 мкА). - Допустимое число циклов перезаписи
(до 10 16 ) позволяет производить запись
по каждому адресу с частотой миллион раз
в секунду в течение нескольких сотен лет без
ухудшения технических характеристик.
Сегнетоэлектрическая память компании
Ramtron идеально подойдет для применения
в приборах, которые требуют высокого быстродействия, надежной работы и возможности хранения данных при отсутствии внешнего источника питания.
До недавнего времени основным недостатком микросхем FRAM-памяти считалась
сравнительно низкая плотность размещения
данных и в связи с этим ограниченная емкость этих микросхем. Но в последние пару
лет компании Ramtron удалось повысить значение емкости своих микросхем до уровня
8 Мбит, и это далеко еще не предел возможностей производителя. Развитие номенклатуры выпускаемых изделий продолжается,
в связи с чем потребители ожидают появления в скором будущем более мощных новых
устройств от компании Ramtron.
В таблицах 1 и 2 представлен перечень выпускаемых на сегодня компанией Ramtron
микросхем FRAM-памяти и их основные технические параметры.
Таблица 1. Микросхемы FRAM-памяти
c последовательным интерфейсом
Таблица 2. Микросхемы FRAM-памяти
с параллельным интерфейсом
Микросхемы марки V-Family
На рис. 1 показана одна из новых микросхем марки V-Family — FM25V10 (1 Мбит
SPI FRAM). Изделия этой марки выделяются
своей повышенной скоростью работы, а также пониженным энергопотреблением.
Рис. 1. Микросхема марки V-Family в корпусе SOIC-8
Микросхемы V-Family в активном режиме
потребляют ток меньше 150 мкA, в режиме
ожидания <90 мкA, а в спящем режиме — <5 мкA. Они поддерживают функцию быстрого доступа (NoDelay) и характеризуются
практически неограниченным числом циклов чтения/записи.
Эти микросхемы выпускаются в стандартных корпусах SOIC, TSOP или DFN.
Они успешно заменяют микросхемы Flash-и EEPROM-памяти с последовательным
интерфейсом емкостью 512 кбит и 1 Mбит
и находят применение в системах промышленной автоматизации, измерительных, медицинских, военных, игровых и компьютерных приложениях и т. д.
Микросхема FM23MLD16 (8 Мбит)
Одна из последних разработок компании
Ramtron — микросхема FM23MLD16 (рис. 2),
которая представляет собой FRAM с параллельным интерфейсом и объемом 8 Мбит
(1 Мбайт).
Рис. 2. Микросхема FM23MLD16
Новая микросхема является альтернативой
SRAM-памяти (в конфигурации 512 К×16)
и отлично подходит для таких приложений,
как робототехника, RAID-контроллеры, многофункциональные принтеры, автомобильные навигационные системы и др., так как
не требует батарейного питания для хранения данных.
- Объем памяти: 8 Мбит (512 К×16 или 1 М×8).
- Число циклов перезаписи: 10 14 .
- Напряжение питания: 2,7–3,6 В.
- Время доступа к памяти: 60 нс.
- Параллельный интерфейс.
- Монитор низкого уровня питания для защиты данных.
- Ток потребления: в рабочем режиме 14 мА,
в режиме ожидания — не более 540 мкА. - Рабочий диапазон температур: –40…+85 °C.
- Корпус: FBGA-48.
FRAM в современных
бытовых счетчиках
Современные интеллектуальные счетчики работают с двухсторонней связью, позволяя потребителям в режиме реального времени наблюдать и оценивать стоимость потраченной энергии. Счетчик поможет быстро
провести оценку сэкономленной энергии при
выключении ненужных электроприборов или
понижении обогрева терморегулятором.
Система дистанционного съема данных
(AMR) позволяет собирать информацию
об энергопотреблении и передавать ее посредством различных коммуникаций, к которым относятся телефония, радиосвязь,
спутниковые коммуникации и передача
данных по электросети. Полученные данные
позволяют рационально управлять эффективностью работы устройств и улучшить их
эксплуатационные возможности. Например,
эффективные коммунальные предприятия
поощряют низкое потребление энергии
в часы пик с помощью гибкой тарифной сетки, а также снижения цены на потребляемую
энергию в более «тихие» часы.
Сегодня разработчики бытовых счетчиков
и систем сбора данных сталкиваются с комплексными задачами, при этом растет потребность в управлении сложными системами распределения. FRAM компании Ramtron является идеальной энергонезависимой памятью
для современных измерительных приборов,
которые требуют надежной работы, быстродействия и возможности хранения данных
при отсутствии внешнего источника питания.
Использование этого типа памяти в системах
сбора данных потребления воды, газа и электричества дает следующие преимущества:
- Быстродействие. Позволяет обойтись без
канала отложенных записей, которые требуются при отключении питания. - Практически неограниченное число циклов перезаписи (до 1016 циклов). FRAM
сохраняет отличную работоспособность
по сравнению с другими технологиями,
которые быстро изнашиваются после
100 000 циклов перезаписи. - Работа в режиме низкой мощности. Работа
без постоянной батарейной поддержки, которая требуется памяти типа SRAM.
По сравнению с памятью типа EEPROM,
которая при чтении разбивается на страницы, чтение и запись у FRAM происходит
со скоростью шины и занимает не более
70 нс. Такая скоростная работа необходима
в первую очередь при внезапном отключении питания. Счетчики с EEPROM дают погрешность при аварийной записи данных.
Накопление таких погрешностей в результате ведет к серьезным финансовым потерям
коммунального предприятия.
Дешевые простые счетчики широко распространены в развивающихся странах.
Здесь работает периодический принцип
оплаты, то есть данные снимаются регулярно вручную, и потребитель платит по факту
потраченной электроэнергии (воды, газа).
Память типа FRAM здесь также идеально подойдет для хранения основных данных: это
идентификация счетчика, остаток по кредиту
потребителя, текущие данные.
FRAM в бесконтактных
платежных системах
Бесконтактные смарт-карты широко
распространены по всему миру, наиболее
они популярны в азиатских странах. Главные
преимущества такой системы оплаты —
удобство и скорость работы. Имея смарткарту, не нужно компостировать билет или
проводить карточку через считыватель.
В системах, где используется метод радиочастотной идентификации (RFID), контакт
со смарт-картой происходит, когда она находится в сумке пользователя. В связи с этим
авторизация в общественном транспорте
происходит заметно чаще, чем при устаревших способах оплаты.
Кроме того, бесконтактный способ расчетов имеет еще одно важное преимущество
перед оплатой наличными. Это высокая производительность, в результате чего отпадает
потребность в дополнительном персонале
и отсутствует такое понятие, как очередь.
Исследования показали, что применение бесконтактных платежных карт может уменьшить время транзакции на 64% по сравнению с другими видами платежа.
В данном случае FRAM является подходящим решением для бесконтактных систем
оплаты. Благодаря своей долговечности
и энергонезависимости, такой тип памяти
не нуждается в поддержке и повышает уровень надежности всей системы, поэтому отлично подходит для необслуживаемых терминалов (торговые автоматы, платежные
стенды, парковочные счетчики и др.).
Очень важным параметром для RFID-технологии является низкое потребление микросхем FRAM. В процессе работы этой системы излучаемая в поле энергия уменьшается с увеличением расстояния. Бесконтактная
карточка (или брелок) должна попасть в область поля, чтобы индуцировать достаточно энергии для передачи записанного кода.
Применение FRAM вместо других типов памяти способствует повышению дальности
действия поля и снижению времени реакции
в нем. Потребление этих микросхем в рабочем режиме не превышает 15 мА, а в спящем
режиме — не более 15 мкА.
FRAM в игровых автоматах
Для привлечения внимания игроков казино к аркадным играм и игровым автоматам требуются очень надежные компьютеры
с наилучшим качеством изображения дисплея и профессиональными мультимедиаэффектами. Также применяются устройства
с сенсорным управлением, которые часто
можно встретить у большинства игровых автоматов в барах, казино и парках отдыха. Для
наиболее зрелищных автоматов требуется
максимально надежное оборудование.
Основной проектируемой электронной составляющей игровых казино-автоматов является однослотовый Single Board Computer
(SBC), который должен иметь компактные
габариты и низкое потребление энергии.
Микросхемы FRAM-памяти с параллельным
интерфейсом идеально подойдут для SBC
благодаря своей миниатюрности и низкому
энергопотреблению.
Для надежного хранения данных при использовании SRAM-памяти дополнительно
требуется элемент питания. Если SBC приходится запрашивать группы блоков SRAM-памяти, то для каждой такой группы требуется отдельная батарейка. Энергонезависимая
FRAM не нуждается в дополнительном питании, и за счет этого удается сократить стоимость системы и повысить ее надежность.
FRAM также идеально подойдет для работы со стандартом кодирования данных (DES)
в качестве устройства хранения уникальных
и пользовательских кодов, а также недоступных кодов, таких как RSA, SHA-1 или MD-5.
Компания Ramtron для использования
в игровой индустрии также предлагает микросхемы семейства Processor Companion с FRAM-памятью и часами реального времени/календаря (RTC = Real-Time Clock) на борту. С их
помощью можно осуществлять контроль
азарта (gambling control), который требуется
в современных игровых казино-автоматах.
Такой контроль нужен для сдерживания игровой зависимости. Вот несколько инструментов для осуществления такой функции в популярных игровых видеоавтоматах:
- Постоянный показ текущего времени
на экране. - Всплывающие уведомления о проведенном времени за текущей игрой.
- Обязательный периодический показ остатка денег для игры.
- Обязательный выбор продолжительности
игры перед ее началом. - Ограничение максимального размера
ставки.
Одна из микросхем этого семейства —
FM3135. Большой ресурс и высокая скорость
записи FRAM-памяти в сочетании с RTC делает
применение этой микросхемы очень привлекательным в системах, требующих привязки
событий ко времени их возникновения. Блок
RTC микросхемы FM3135 включает в себя выходы программируемой частоты и сигнала будильника. Будильник сравнивает устанавливаемое пользователем время выдачи сигнала с текущим значением времени RTC. Для доступа
к памяти и управления RTC в микросхеме используется промышленный стандартный двухпроводный интерфейс. Выпускается FM3135
в 20‑выводном корпусе SOIC. Микросхема
работает в диапазоне питающих напряжений
от 2,7 до 3,6 В во всем промышленном диапазоне температур (–40…+85 °C).
Семейство Processor Companion подходит
для очень широкого спектра применений.
С учетом ключевых преимуществ FRAM —
малые габариты, однокристальное сочетание общесистемных функций и невысокая
стоимость — областями его наиболее эффективного применения являются игровые
автоматы, носимые или удаленные сетевые
терминалы сбора данных, регистраторы, расходомеры, весы-дозаторы, счетчики электроэнергии и другие приборы, общие свойства
которых — критичное отношение к энергопотреблению, габаритам, удельной стоимости и надежности работы.
Заключение
Применение FRAM-памяти в различных
электронных устройствах предоставляет много преимуществ, которые являются следствием особенностей самой памяти, обеспечивающей большую скорость и надежность работы,
огромное количество циклов перезаписи, а также возможность использования FRAM в качестве ПЗУ, ОЗУ или комбинации ОЗУ-ПЗУ.
Читайте также: