Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2012
Volker Rzehak, Texas Instruments
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.
В составе семейства 20 устройств с FRAM памятью объемом до 16 КБайт. Микросхемы выпускаются в 4 вариантах корпусного исполнения: 20/40-выводный QFN, 28/38-выводный TSSOP.
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.
Ссылки
- TI's FRAM page: http://www.ti.com/fram
- General FRAM information at http://en.wikipedia.org/wiki/Ferroelectric_RAM
- MSP430FR57xx data sheet (SLAS639)
- MSP430F5438A data sheet (SLAS655)
