Käytä F-RAM-muistia kun rakennat paristo- tai akkukäyttöisiä laitteita erittäin pienitehoisella ja pitkäkestoisella tallennuksella

Luotettavasta pitkäkestoisesta tietojen tallennuksesta on tullut yhä kysytympi vaatimus mobiileille akkukäyttöisille laitteille sekä kuluttaja-, teollisuus- että muissa segmenteissä. Aiemmissa tuotesukupolvissa tähän tarpeeseen ovat vastanneet perinteiset haihtumattomat muistiteknologiat (NVM), kuten flash-muistit tai sähköisesti pyyhittävät ohjelmoitavat lukumuistit (EEPROM).

Nykyisissä kehittyneissä mobiilituotteissa käyttäjien akunkestoa koskevat odotukset ovat kuitenkin rajoittaneet käytettävissä olevia vaihtoehtoja, joilla voidaan tarjota luotettavaa tallennustilaa suorituskyvystä ja virtabudjetista tinkimättä.

Tässä artikkelissa esitellään Cypress Semiconductorin ferrosähköisten Excelon-hajasaantimuistien (F-RAM) tuoteperhe ja näytetään, miten sitä voidaan käyttää täyttämään akkukäyttöisten laitteiden luotettavan ja pitkäkestoisen tallennustilan vaatimukset.

Kannettavien laitteiden tallennushaasteet

Puettavien laitteiden, IoT-laitteiden sekä muiden kannettavien tuotteiden suuren haihtumattoman tallennustilan tarve on suoraa seurausta tuotteiden kehittyneistä ominaisuuksista. Käyttäjien halu saada kattavampaa tietoa on johtanut siihen, että näihin laitteisiin integroidaan enemmän antureita, jotka toimivat suuremmalla tarkkuudella ja päivittyvät nopeammin. Samaan aikaan käyttäjät edellyttävät näiden hienostuneiden tuotteiden tarjoavan kattavasti historiatietoja ja trendejä, ei vain yksinkertaista näyttöä anturien senhetkisestä datasta. Laitteen tulee etenkin kyetä palauttamaan nämä tiedot tarvittaessa ilman aktiivista yhteyttä pilveen, älypuhelimeen tai muuhun ulkoiseen laitteeseen.

Suunnittelijat, jotka yrittävät vastata näihin vaatimuksiin perinteisen NVM-teknologian avulla, kohtaavat useita vaikeuksia etenkin silloin, kun käyttävissä on vain rajallisesti tehoa. Useiden NVM-teknologioiden kirjoitusnopeudet ovat luonnostaan huomattavasti RAM-muistia hitaampia, koska ohjelmointiprosessiin tarvitaan pidempiä jaksoja. Perinteisen EEPROM-muistin kirjoitusaika voi olla useita millisekunteja. Jopa kehittyneemmän flash-muistin suorituskykyä hidastaa kirjoitussyklien aikana vaadittu ylimääräinen odotusaika. Pidemmät kirjoitussyklit taas lisäävät virran kulutusta ja hidastavat datan päivitysnopeutta. Perinteiset NVM-laitteet kestävät myös yleensä vain rajoitetun määrän kirjoituskertoja. Jos niitä käytetään säännöllisen tiedon tallennuksen vaatimiin toistuviin kirjoitussykleihin, laite voi kulua loppuun tuotteen käyttöiän aikana.

Suunniteltaessa yhä yleisempiä akkukäyttöisiä laitteita F-RAM-pohjaiset NVM-laitteet tarjoavat pitkäkestoiseen tallennukseen yksinkertaisemman ratkaisun sekä tarvittavan nopeuden, kestävyyden ja alhaisen tehonkulutuksen yhdistelmän. Tyypillisten F-RAM-laitteiden kirjoituskestävyys ja kirjoitussyklien nopeus ovat kertaluokkaa parempia kuin EEPROM- tai flash-muistin, ja ne lähestyvät jopa staattisen RAM-muistin (SRAM) nopeuksia. Käytännössä F-RAM yhdistää perinteisen RAM-muistin suorituskykyedut muiden NVM-teknologioiden haihtumattomuuteen. F-RAM-ratkaisuista Cypress Semiconductorin vähävirtainen Excelon LP F-RAM-mallisto menee vielä pidemmälle, sillä se kykenee myös vastaamaan akkukäyttöisten puettavien laitteiden ja muiden mobiilituotteiden vaatimukseen erittäin alhaisesta tehonkulutuksesta.

Äärimmäisen vähävirtainen F-RAM

Cypress Excelon LP -F-RAM-laitteet ovat integroituja, haihtumattomia muistijärjestelmiä, jotka yhdistävät F-RAM-ryhmän, ohjaus- ja rajapintalogiikan sekä erityisen sektorin, joka on suunniteltu säilyttämään sisältö jopa kolmen normaalin sulatusjuottamissyklin ajan (kuva 1).

Kuva 1: Cypress Semiconductorin Excelon LP -F-RAM-laitteissa on integroituna F-RAM-ryhmä sekä tukipiirit, joista muodostuu normaalien SPI-porttien kautta käytettävä täydellinen muistijärjestelmä. (Kuvan lähde: Cypress Semiconductor)

Excelon LP F-FRAM-laitteet tarjoavat pitkäkestoista luotettavuutta, joka ylittää selvästi tyypilliset EEPROM- tai flash-muistiratkaisut. Nämä laitteet kestävät 10¹⁵ luku-/kirjoitusjaksoa ja säilyttävät datan 151 vuoden ajan, mikä ylittää minkä tahansa puettavan laitteen tai IoT-laitteen realistisen käyttöiän.

Näiden laitteiden kirjoitussuorituskyky parantaa myös sovellusten yleistä luotettavuutta. Koska laitteet voivat kirjoittaa tietoa haihtumattomaan F-RAM-ryhmään väylän nopeudella, datan häviäminen on huomattavasti epätodennäköisempää kuin muilla NVM-laitetyypeillä. Näissä laitteissa huomattavasti pidemmät kirjoitusajat ja niihin liittyvä tarve puskuroida dataa sisäisesti synnyttävät suuren haavoittuvuusikkunan, jonka tiedot voidaan menettää, jos virta katkeaa ennen kirjoitussekvenssin päättymistä.

Toisin kuin muut NVM-teknologiat, Excelonin LP -F-RAM-laitteet toimivat mahdollisimman pienellä virtatasolla. Tämä on tärkeää akun keston pidentämiseksi kannettavissa laitteissa. Toimiessaan 20 megahertsin (MHz) taajuudella 8 megabitin (Mb) Cypress CY15x108QI F-RAM LP -malli kuluttaa vain 1,3 milliampeeria (mA), kun taas Cypress CY15x104QI 4 Mb F-RAM LP -malli kuluttaa vain 1,2 mA. Kuten alla kuvataan, laitteet myös tarjoavat kehittäjille useita vaihtoehtoja vähentää virrankulutusta entisestään.

Excelon LP -tuoteperheen jäsenet on suunniteltu tukemaan useita erilaisia järjestelmävaatimuksia, ja niitä on saatavana sekä kaupallisten että teollisten ympäristöjen lämpötila-alueille että eri syöttöjännitteille. Esimerkiksi 4 Mb:n CY15V104QI ja 8 Mb:n CY15V108QI toimivat 1,71–1,89 voltin syöttöjännitteellä, kun taas 4 Mb:n CY15B104QI ja 8 Mb:n CY15B108QI on suunniteltu toimimaan 1,8–3,6 voltin jännitteellä.

Yksinkertainen järjestelmäsuunnittelu

Sen lisäksi, että laitteet sopivat erilaisten sovellusten vaatimuksiin, ne myös helpottavat järjestelmän suunnittelua. Tyypillisessä ratkaisussa kehittäjät käyttävät SPI-väylää (lisälaitteiden sarjarajapinta) yhdistämään yksi tai useampia Excelon LP -F-RAM-laitteita SPI-alilaitteiksi SPI-ohjaimeen, esimerkiksi mikrokontrolleriin (kuva 2).

Kuva 2: Suunnittelijat voivat lisätä suunnitelmiinsa pitkäkestoista tallennustilaa yhdistämällä yksi tai useampi Cypress Semiconductor Excelon LP -F-RAM-laite SPI-ohjaimen, esimerkiksi mikrokontrollerin, ohjaamaan SPI-väylään. (Kuvan lähde: Cypress Semiconductor)

Tiedonsiirto yhdistetyn SPI-väylän kautta on yksinkertaista ja nopeaa. Muistiin kirjoitettaessa Excelon LP -F-RAM-laitteet toimivat ilman aiemmin flash- ja EEPROM-teknologioiden yhteydessä mainittuja kirjoitusviiveitä. Sen sijaan jokainen tavu kirjoitetaan F-RAM-ryhmään heti, kun se saapuu laitteelle SPI-väylän kautta. Tämä vähentää merkittävästi datan menetyksen riskiä sähkökatkon yhteydessä.

Järjestelmän kehittäjän näkökulmasta kirjoitusprosessi noudattaa yksinkertaista SPI-protokollaa, jota ohjaavat alan standardin mukaiset SPI-operaatiokoodit (opcodet). Isäntäsuoritin aloittaa jokaisen kirjoitusjakson lähettämällä kirjoituksen sallivan (WREN) operaatiokoodin (06h) samalla, kun se vetää piirin valintalinjan (ØCS) ensin ylös ja sen jälkeen alas. Tämän lyhyen alustusvaiheen jälkeen isäntäsuoritin aloittaa kirjoitusoperaation lähettämällä kirjoituksen operaatiokoodin (02h) ja sen jälkeen 24-bittisen osoitteen. (Nämä laitteet eivät käsittele osoitteen neljää ylintä bittiä, mutta niillä varmistetaan yhteensopivuus tulevien, tiheämpien F-RAM-laitteiden kanssa.) Isäntäsuoritin voi aloittaa datatavujen lähettämisen välittömästi osoitteen lähettämisen jälkeen (kuva 3).

Kuva 3: Normaalin SPI-kirjoitussekvenssin aikana Cypress Semiconductorin Excelon LP -F-RAM-laitteet kirjoittavat datan välittömästi F-RAM-ryhmään ilman aiemmista NVM-teknologioista tuttua puskurointia tai odotusaikaa. (Kuvan lähde: Cypress Semiconductor)

Kun isäntäsuoritin lähettää datatavun, F-RAM-laite kasvattaa automaattisesti osoitetta sisäisesti niin kauan kuin isäntäsuoritin pitää ØCS-linjan alhaalla ja jatkaa kellosignaalien lähettämistä. Näin suunnittelijat voivat käyttää Excelon LP -F-RAM-laitteita suunnitelmissa, joissa tarvitaan mitä tahansa yhden tavun ja lohkojen kirjoituksen yhdistelmää.

Lukuoperaatioissa noudatetaan samanlaista SPI-protokollaa. Kun isäntäsuoritin on vetänyt ØCS-linjan alas, se lähettää lukemisen operaatiokoodin (03h) ja 24-bittisen osoitteen. Excelon LP -F-RAM -laite vastaa välittömästi lähettämällä datatavut SO-linjaa pitkin kullakin SCK-kellojaksolla. Kirjoitusoperaatioiden tapaan myös lukuoperaatiot jatkuvat niin kauan kuin isäntäsuoritin pitää ØCS-linjaa alhaalla ja lähettää SCK-kellojaksoja.

Akunkeston pidentäminen

Yksinkertaisten järjestelmäsuunnitteluvaatimusten lisäksi nämä vähän virtaa kuluttavat F-RAM-muistit tarjoavat kehittäjille mahdollisuuksia vähentää virrankulutusta ja pidentää akunkestoa. Erityisesti akkukäyttöön suunnitelluissa Cypress CY15x10xQI -laitteissa on integroidut ohjauspiirit kytkentävirralle. Ne vähentävät NVM-laitteiden käynnistyksen yhteydessä yleisesti syntyviä, suhteellisen suuria sähkövirtoja.

Cypress Excelon LP -F-RAM-laitteiden avulla kehittäjät voivat myös käyttää erilaisia strategioita akunkeston pidentämiseen puettavissa laitteissa ja IoT-laitteissa, joissa käytetään antureita seuraamaan tosielämän tapahtumien suhteellisen hidasta edistystä. Tällaisissa sovelluksissa Cypress Excelon LP -F-RAM-laitteita voidaan yleensä käyttää alemmalla kellotaajuudella, mikä vähentää virrankulutusta. Esimerkiksi 1 MHz:n kellotaajuudella 8 Mb:n CY15V108QI-mallin virrankulutus putoaa 300 mikroampeeriin (µA), kun se 20 MHz:n taajuudella on 1,3 mA. Vastaavasti 4 Mb:n CY15V104QI vaatii 1 MHz:n taajuudella vain 200 µA, kun 20 MHz:n taajuudella se kuluttaa 1,2 mA.

Excelon LP -F-RAM-laitteiden erityisten vähävirtaisten tilojen avulla kehittäjät voivat minimoida järjestelmän tehonkulutusta entisestään joutokäyntijaksoilla, joita puettavissa laitteissa ja IoT:ssä esiintyy säännöllisesti. Nämä F-RAM-laitteet tukevat kolmea virransäästötilaa, joita kehittäjät voivat käyttää vaihtaakseen vasteaikaa alempaan virrankulutukseen.

Kun ØCS-linja vedetään SPI-sekvenssin lopuksi ylös, laitteet siirtyvät automaattisesti valmiustilaksi kutsuttuun ensimmäiseen virransäästötilaan. Vastaavasti laitteet poistuvat valmiustilasta, kun ØCS vedetään alas uuden SPI-sekvenssin aluksi. Valmiustilassa 8 Mb:n CY15V108QI Excelon LP F-RAM kuluttaa vain 3,5 µA ja 4 Mb:n CY15V104QI vaatii vain 2,3 µA.

Valmiustila tarjoaa välittömän ja automaattisen virransäästön, josta ei seuraa lisäviiveitä palattaessa normaaliin aktiiviseen tilaan. Sovelluksissa, joissa odotusajat ovat pitkiä, tämäkin virrankulutus kuitenkin lyhentää akunkestoa tarpeettomasti pitkällä aikavälillä. Näitä tapauksia varten Excelon LP -F-RAM-laitteet tarjoavat kaksi muuta virransäästötilaa: syvän sammutustilan sekä horrostilan.

Toisin kuin normaaliin valmiustilaan, syvään sammutustilaan ja horrostilaan siirrytään eksplisiittisesi käyttämällä erityisiä SPI-operaatiokoodeja. Samalla tavoin kuin lukua ja kirjoitusta koskevissa SPI-operaatioissa, SPI-ohjainlaite lähettää syvän sammutustilan (DPD) operaatiokoodin (BAh) tai horrostilan (HIB) operaatiokoodin (B9h) ja käskee F-RAM-laitteen siirtymään vastaavaan virransäästötilaan (kuva 4).

Kuva 4: Kehittäjät voivat käyttää normaalia SPI-protokollaa asettaakseen Cypress Semiconductor Excelon LP -F-RAM-laitteet syvään sammutustilaan (DPD) tai horrostilaan (HIB), jotka vähentävät huomattavasti virrankulutusta, mutta joihin liittyy erilaiset viiveet niihin siirtymiseen (t_ENTxxx) ja niistä poistumiseen (t_EXTxxx). (Kuvan lähde: Cypress Semiconductor)

Virransäästötilojen vaikutus on huomattava, sillä virrankulutus laskee alle 1 µA:n (taulukko 1). Vaikka laitteen virrankulutus laskee huomattavasti, tiloihin liittyy kompromissi, joka voi vaikuttaa aikakriittisiin dataoperaatioihin. Operaatiokoodipohjaiset DPD- ja HIB-virransäästötilat aiheuttavat lisäviiveitä, jotka ovat seurausta tilaan siirtymisen (t_ENTDPD tai t_ENTHIB) ja tilasta poistumisen (t_EXTDPD tai t_EXTHIB) kestosta (taulukko 1 ja kuva 4).

Taulukko 1: Virrankulutus Excelon LP -F-RAM-laitteen virtatiloissa sekä operaatiokoodilla kutsuttavien syvän sammutustilan ja horrostilan käynnistysajat (t_ENTDPD tai t_ENTHIB) ja poistumisajat (t_EXTDPD tai t_EXTHIB). Luvut koskevat kaupallisia alhaisen jännitteen versioita, joissa on 1,71–1,89 voltin syöttöjännitealue ja joiden toimintalämpötila-alue on 0 °C – +70 °C. (Tiedon lähde: Cypress Excelon LP F-RAM -tietosivut)

Operaatiokoodeilla kutsuttavia virransäästötiloja käyttäessään kehittäjien tulee tasapainottaa näiden tilojen alemman virrankulutuksen hyödyt sekä virta ja aika, joka vaaditaan niihin siirtymiseen sekä niistä poistumiseen. Kumpaa tahansa tilaa voidaan käyttää järjestelmässä, jolla on pitkiä odotusjaksoja, mutta valittava tila riippuu siitä, millaista käyttöjaksoa F-RAM-laitteilta odotetaan aktiivisina aikoina. Jos F-RAM-laitteelta vaaditaan toistuvia käyttöjaksoja, jatkuva virransäästötilaan siirtyminen ja siitä poistuminen saattaa olla haitallista. Cypress esimerkiksi suosittelee horrostilan käyttöä sovelluksiin, joissa käyttämättömyysjaksot ovat vähintään 10 sekunnin mittaisia.

Yhteenveto

Akkukäyttöisten puettavien laitteiden ja IoT-laitteiden tarve pitkäkestoiseen datan tallennukseen on saanut kehittäjät etsimään NVM-laitteita, jotka kuluttavat vähän tehoa ja joissa ei ole perinteisten NVM-teknologioiden, kuten EEPROM- ja flash-muistin, suorituskykyrajoitteita. Nopeaan ja luotettavaan F-RAM-teknologiaan perustuvissa Cypress Semiconductorin Excelon-sarjan vähävirtaisissa (LP) F-RAM-laitteissa yhdistyvät niille ominainen pieni virrankulutus ja ohjelmoitavat virransäästötilat, joiden avulla virrankulutus voidaan laskea jopa alle yhden mikroampeerin. Cypress Excelon LP -F-RAM-muistien avulla kehittäjät voivat lisätä akkukäyttöisiin laitteisiin pitkäkestoisen tallennusratkaisun, joka toimii yhtä nopeasti kuin perinteinen hajasaantimuisti ja säilyttää tiedot luotettavasti yli 150 vuoden ajan.