FRAM повышает производительность и снижает энергопотребление систем на микроконтроллерах

Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2013

Maury Wright, Electronic Products

Digi-Key

Flash-память является практически единственным средством хранения программного кода, на которое могут рассчитывать сегодня разработчики микроконтроллерных систем, что объясняется достижениями изготовителей ИС в масштабировании технологического процесса, позволяющими интегрировать в микроконтроллер достаточно большие массивы Flash. Однако Flash-память далека от совершенства, и некоторые типы энергонезависимой памяти, например, сегнетоэлектрическое ОЗУ (FRAM), значительно превосходят Flash, потребляя намного меньше энергии, допуская побитное обращение, подобное динамическому ОЗУ, и существенно опережая ее по скорости доступа, особенно в режиме записи. Несмотря на то, что стоимость FRAM высока, а емкость несопоставима с Flash, FRAM может оказаться полезной в тех случаях, когда ключевыми требованиями приложения являются низкое потребление и высокая производительность.

Прежде всего, давайте кратко рассмотрим, как работает FRAM. Ячейка FRAM устроена также, как ячейка динамического ОЗУ (DRAM), в том смысле, что для хранения каждого бита используется один конденсатор и один транзистор. Но в ячейке FRAM используется сегнетоэлектрический материал, способный длительное время сохранять поляризованное состояние, для поддержания которого не требуя ни регенерация, ни внешнее напряжение питания. На сегодняшний день производители полупроводников по ряду причин не смогли масштабировать FRAM до уровней плотности динамического ОЗУ или Flash-памяти. Основная сложность связана с тем, что сегнетоэлектрический материал в определенном смысле чужероден технологическому процессу изготовления полупроводников. Такие материалы теряют сегнетоэлектрические свойства при уменьшении их размеров, а для достижения более высокой плотности и, соответственно, повышения объема памяти, требуется сокращение площади ячеек.

Поскольку мы начали с недостатков, вы можете спросить, зачем же вообще связываться с сегнетоэлектрической памятью? Ответ прост. Если не принимать во внимание сложности технологического характера, FRAM лучше Flash практически во всех отношениях. Flash-память требует высокого напряжения для записи данных, что приводит к росту потребления энергии, а также к увеличению длительности цикла записи. FRAM характеризуется временем доступа, сравнимым с DRAM, низким энергопотреблением и неограниченным количеством циклов перезаписи.

Другие ограничения Flash-памяти

Flash-памятью может также быть причиной головной боли программистов. Вы не можете просто перезаписать данные во Flash. Как правило, нужно записать новое значение в новом блоке Flash-памяти и в какой-то момент вернуться назад и стереть старый блок для повторного использования, конечно же, после организации перемещения всех важных данных из старого блока в новый. Большинство производителей микроконтроллеров для решения этой задачи предоставляют библиотеки кодов. Тем не менее, с точки зрения размера кода, Flash-память изначально неэффективна.

Запись и чтение FRAM может выполняться побитно. Программистам, работающим с массивом FRAM, не придется беспокоиться о разделении областей памяти данных и кода. Можно использовать универсальную карту распределения памяти и даже динамически выделять участки памяти для кода или данных, если этого требует приложение.

Если бы стоимость и плотность FRAM смогли приблизиться к Flash, вероятно мы стали бы свидетелями повсеместного перехода к ее активному использованию. Но пока этого не произошло, вы должны руководствоваться четким пониманием плюсов и минусов этого вида памяти.

На сегодняшний день воспользоваться преимуществами FRAM вы можете двумя способами. Ряд компаний, включая Fujitsu Semiconductor и Ramtron, выпускают специализированные микросхемы FRAM, которые могут использоваться совместно с микроконтроллерами со встроенной памятью различных типов. Компания Texas Instruments (TI), тем временем, интегрировала FRAM в некоторые свои 16-разрядные микроконтроллеры семейства MSP430 [1].

Микросхемы FRAM памяти

Давайте в первую очередь рассмотрим микросхемы FRAM памяти. Возглавляют линейку продуктов Fujitsu микросхемы MB85R1002ANC-GE1 (память емкостью 1 Мбит с организацией 64 Кбит×16) и MB85R1001ANC-GE1 (память емкостью 1 Мбит с организацией 128 Кбит×8). Микросхемы имеют 8-разрядный параллельный интерфейс, время доступа составляет 150 нс.

Компания также выпускает микросхемы FRAM с последовательным интерфейсом, что позволяет сократить количество выводов, необходимых для подключения к микроконтроллеру. Максимальная емкость выпускаемых компанией микросхем с интерфейсом SPI составляет 256 Кбит в конфигурации 32 Кбит×8 (MB85RS256APNF-G-JNE1). Интерфейс SPI работает на частоте 25 МГц, которая и определяет эффективное время доступа к памяти. Микросхемы с интерфейсом I²C выпускаются с максимальной емкостью 128 Кбит в конфигурации 16 Кбит×8 (MB85RC128PNF-G-JNE1) и работают на частоте 400 кГц.

Компания Ramtron предлагает микросхемы с большей емкостью и большей скоростью. Например, микросхема FM23MLD16-60-BGTR может хранить данные объемом 8 Мбит, организованные в 512К 16-разрядных слов. Память подключается к микроконтроллеру по параллельному интерфейсу и имеет время доступа 60 нс. Микросхемы Ramtron с интерфейсом SPI могут работать на частоте 40 МГц и имеют максимальную емкость 2 Мбит (FM25V20-DGTR), а микросхемы с интерфейсом I²C и рабочей частотой 3.4 МГц имеют емкость 1 Мбит (FM24V10-GTR).

Добавление одной из вышеперечисленных микросхем памяти к микроконтроллеру может повысить производительность системы и упростить программный код. Кроме того, добавляя внешнюю микросхему FRAM, вы можете получить дополнительное снижение энергопотребления, в сравнении с системой, реализованной на микроконтроллере со встроенной памятью. Можно выбрать микроконтроллер с минимальным объемом встроенной Flash-памяти, и большинство операций перенести на FRAM. Тем самым, сокращается количество весьма энергозатратных операций записи.

FRAM микроконтроллеры

Теперь давайте перейдем к микроконтроллерам с интегрированной FRAM. Это даст вам более полное представление о способах снижения энергопотребления и уровне сложности приложений, которые можно реализовать на таких микроконтроллерах с ограниченным объемом встроенной FRAM.

TI интегрировала FRAM в небольшую группу 16-разрядных микроконтроллеров семейства MSP430. Компания позиционирует эти приборы как 16-разрядные с ценой и мощностью потребления 8-разрядных микроконтроллеров. В устройства серии MSP430FR57xx (Рисунок 1) интегрирована память FRAM с объемом в старших моделях до 128 Кбит (16 Кбит×8), разнообразная периферия и многочисленные интерфейсы ввода/вывода.

Рисунок 1.	Микроконтроллеры серии MSP430FR57xx содержат энергонезависимую FRAM объемом 128 Кбит. Микросхемы этого семейства снабжены разнообразной периферией, включая многоканальный 10-битный АЦП.

В состав работающей на частоте 24 МГц линейки FRAM микроконтроллеров входят устройства с количеством линий ввода/вывода от 17 до 33. Большинство из них имеют интегрированный 10-битный АЦП с максимальным количеством каналов 14. Как правило, все микроконтроллеры содержат ШИМ, схему сброса при подаче питания, сторожевой таймер и коммуникационные интерфейсы SPI, I²C и UART.

Реальные преимущества FRAM проявляются в активном режиме, потребление энергии в котором составляет 82 мкА/МГц. Многие микроконтроллеры семейства MSP430 с Flash-памятью потребляют в активном режиме в два-три раза больше. Справедливости ради надо отметить, что специальные низковольтные серии микроконтроллеров с Flash-памятью потребляют энергии на 50% меньше, однако их рабочая частота не превышает 4 МГц.

В настоящее время компания начала выпуск FRAM микроконтроллеров нового поколения серий MSP430FR58xx и MSP430FR59xx.

Оценочные наборы

Для оценки возможностей микроконтроллеров и технологии FRAM TI предлагает несколько интересных наборов. Оценочная плата MSP-EXP430FR5739 (Рисунок 2) выполнена на микроконтроллере MSP430FR5739 с интегрированной FRAM емкостью 128 Кбит. Дополнительно, на плате установлены акселерометр и термистор, которые могут оказаться полезными в типовых приложениях.

Рисунок 2.	Оценочная плата MSP-EXP430FR5739 содержит трехосевой акселерометр, термистор, светодиоды, кнопки, а также разъем расширения для подключения дочерних плат.

В отладочный набор MSP-FET430U40A включены Flash эмулятор и программатор, по иронии судьбы, не нужные для работы с двумя входящими в комплект FRAM микроконтроллерами. Впрочем, комплект содержит USB интерфейс отладчика, который будет полезен при разработке систем. Конструкторам беспроводных устройств пригодится набор CC3000 Wi-Fi MSP430 FRAM, представляющий собой комбинацию платы из отладочного комплекта и установленного на нее мезонинного Wi-Fi модуля.

Тем, кого интересуют другие технологии, альтернативные Flash, следует обратить внимание на магниторезистивные ОЗУ (MRAM), преимущества которых перед Flash во многом похожи на FRAM. Пока никто из производителей не предлагает микроконтроллеров с интегрированной MRAM, но отдельные микросхемы памяти емкостью до 16 Мбит выпускает компания Everspin Technologies [2].

Заключение

Flash-память была и будет оставаться жизненно важной основой широкого спектра приложений, прежде всего, вследствие ее низкой стоимости и исключительно высокой плотности упаковки на кристалле. Но из этого не следует, что правильным выбором всегда будет только Flash. Вы сможете убедиться, что в отдельных случаях использование FRAM может привести к сокращению энергопотребления и росту производительности, и даже, вполне вероятно, к снижению стоимости конечной системы. Кроме того, отсутствие необходимости обслуживания Flash-памяти намного упрощает программный код, и вполне может оказаться, что вашему приложению хватит небольшого объема памяти FRAM.

Ссылки по теме

1. «Особенности применения FRAM микроконтроллеров Texas Instruments». РадиоЛоцман, 2012, апрель, стр. 20.
    
2. «Быстродействие магниторезистивной памяти компании Everspin в 500 раз превосходит NAND flash». РадиоЛоцман, 2012, ноябрь, стр. 11.