非易失性存儲器 (NVM) 在幾乎所有嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中都起著關(guān)鍵作用,，但許多設(shè)計對非易失性存儲器在數(shù)據(jù)寫入和訪問速度,、數(shù)據(jù)保留、低功耗等方面的要求越來越嚴(yán)格,。在汽車應(yīng)用中更是如此，設(shè)計人員正在努力打造更先進的功能,，例如高級輔助駕駛系統(tǒng) (ADAS) 這類任務(wù)關(guān)鍵型功能,。

　　為確保這些系統(tǒng)安全可靠地運行，設(shè)計人員需要深入研究先進的鐵電隨機存取存儲器 (F-RAM),，作為要求可靠性高,、功耗低且比當(dāng)前 NVM 解決方案速度更快的低功耗汽車級 NVM 的選擇。

　　本文討論 F-RAM 技術(shù)的關(guān)鍵特性,，并介紹開發(fā)人員如何使用 Cypress Semiconductor 的兩款 F-RAM 解決方案來增強 ADAS 的可靠性,，，并以 ADAS 為代理,，將 F-RAM 的使用范圍擴大至其他任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用,。

　　汽車 NVM 要求

　　汽車行業(yè)不斷集成具有更高分辨率和更快更新速率的更先進傳感器，汽車安全應(yīng)用則是這種行業(yè)趨勢的縮影,。ADAS,、電子控制單元 (ECU) 和事件數(shù)據(jù)記錄儀 (EDR) 等汽車子系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展，并高度依賴于從各種傳感器收集到的大量數(shù)據(jù),。任何數(shù)據(jù)丟失,，甚至數(shù)據(jù)訪問速度的滯緩，都有可能危及系統(tǒng)安全,、車輛和乘客,。

　　例如，在 ADAS 設(shè)計中,，寫入電可擦除可編程只讀存儲器 (EEPROM) 所需的時間可能會引入災(zāi)難性的延遲時間,，導(dǎo)致旨在避免檢測到的危險情況的自動操作功能反應(yīng)遲緩。在 EDR 設(shè)計中,，如果車輛事故引發(fā)電源故障,，那么寫入速度緩慢可能導(dǎo)致關(guān)鍵傳感器數(shù)據(jù)丟失,，致使了解事故根本原因所需的數(shù)據(jù)消于無形。

　　F-RAM NVM 特性

　　采用 F-RAM 技術(shù)構(gòu)建的存儲器件可以有效地替代 NVM,，滿足在可靠數(shù)據(jù)存儲和高速訪問方面日益增長的需求和性能要求,。此類器件由鋯鈦酸鉛（Pb[ZrxTi1?x]O3，簡稱為 PZT）制成,。PZT 具有獨特的性質(zhì),，施加電場后，PZT 晶體中嵌入的金屬空位（陽離子）依據(jù)電場方向獲得兩種可能極化狀態(tài)（向上或向下）中的一種（圖 1）,。

　　圖 1：F-RAM 技術(shù)利用了 PZT 材料在受到電場作用時表現(xiàn)出的兩個同樣穩(wěn)定的能態(tài),。

　　由于兩者同是低能態(tài)，當(dāng)移開電場時,，陽離子將繼續(xù)處于其最近的極化狀態(tài)（圖 2）,。施加正或負(fù)電場時，陽離子將再次快速轉(zhuǎn)變至適當(dāng)?shù)臉O化態(tài),，遵循與鐵磁材料類似的特征磁滯回線,。

　　圖 2：PZT 材料遵循特征磁滯回線，響應(yīng)施加的電場而在兩個穩(wěn)定的極化態(tài)之間切換,。

　　F-RAM 技術(shù)的特性直接決定了采用該技術(shù)制造的 NVM 器件具有許多優(yōu)點,。兩種 PZT 能態(tài)同樣穩(wěn)定，因而陽離子可數(shù)十年乃至數(shù)百年保持在其最后位置不變,，使得基于 PZT 的 F-RAM NVM 器件具備前所未有的數(shù)據(jù)保留期限,。此外，該技術(shù)基于陽離子位置,，而不是其他 NVM 技術(shù)的電荷儲存機制,，因此 F-RAM 器件具備固有的輻射耐受性，不受電離輻射的單粒子翻轉(zhuǎn)影響,。

　　除了長期存儲的優(yōu)勢之外,，F(xiàn)-RAM 技術(shù)還增強了 NVM 器件的動態(tài)性能。狀態(tài)轉(zhuǎn)變非常迅速,，并且只需很少的能量,，克服了任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用中與使用 EEPROM 或閃存有關(guān)的根本限制。在相對較慢的寫周期中,，EEPROM 和閃存器件需要一個與數(shù)據(jù)緩沖有關(guān)的相當(dāng)長“停留時間”(soak TIme),。寫周期中的這種額外延遲會導(dǎo)致數(shù)據(jù)處于風(fēng)險中，如果在操作完成并檢查最終讀取狀態(tài)之前電源出現(xiàn)故障,，數(shù)據(jù)可能會完全丟失（圖 3）,。

　　圖 3：與 F-RAM 器件相比,，EEPROM 或閃存寫操作需要相當(dāng)長的停留時間（紅色突出顯示部分）,，在此期間數(shù)據(jù)仍處于風(fēng)險之中,。

　　為了應(yīng)對 EEPROM 或閃存寫周期較慢的問題，開發(fā)人員如果希望減輕電源故障的影響,，就需要添加大電容或電池及適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓器,，使 NVM 電源電壓維持足夠長的時間以便完成寫操作。相比之下,，F(xiàn)-RAM（例如 Cypress Semiconductor 的 Excelon-Auto 器件）在寫操作期間以總線速度工作,，大大降低了關(guān)鍵數(shù)據(jù)丟失的可能性，而且無需在設(shè)計中使用補充電源,。

　　汽車級 F-RAM 器件

　　Excelon?-Auto F-RAM 器件在功能上與串行 EEPROM 和串行閃存相似,，旨在滿足關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用對可靠、高性能 NVM 的需求,。汽車系統(tǒng)設(shè)計人員可以使用這些符合 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)的器件取代其他類型的存儲器,；有兩種型號可供選擇：CY15V102QN 采用 1.71 至 1.89 V 電壓，CY15B102QN 采用 1.8 至 3.6 V 電壓,。兩者都是 2 兆位 (Mb) 器件,，采用 256 Kb x 8 邏輯組織結(jié)構(gòu)。

　　在 -40°C 至 +125°C 的工作溫度范圍內(nèi),，Excelon F-RAM 的數(shù)據(jù)保留期限遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其他 NVM 技術(shù),。例如，CY15x102QN 在 85°C 的溫度下運行時可以保留數(shù)據(jù)大約 121 年,。數(shù)據(jù)保留期限與溫度成反比,，如果被迫在典型發(fā)動機溫度的較高一端運行（例如 95°C），則 F-RAM 的估計數(shù)據(jù)保留期限為 35 年,。

　　在可靠性方面,，F(xiàn)-RAM 的讀 / 寫周期耐久性為 1013，比典型 EEPROM 或閃存高出大約 7 個數(shù)量級,。因此,，使用此類 F-RAM 器件的開發(fā)人員不需要實施損耗均衡（將寫操作分配到各扇區(qū)以解決其他 NVM 技術(shù)存在的寫周期有限的問題）之類的技術(shù)。

　　采用 F-RAM 的簡化設(shè)計

　　在典型設(shè)計中,，開發(fā)人員可以使用此類器件直接替換或補充其他類型的 NVM 器件,，例如 NOR 閃存。例如,，在 ADAS 設(shè)計中,，開發(fā)人員可以同時使用 NOR 閃存和 Excelon F-RAM，前者用于存儲固件,，后者則能可靠地處理來自許多汽車子系統(tǒng)（為 ADAS 應(yīng)用提供輸入）的多個數(shù)據(jù)流（圖 4）,。

　　圖 4：汽車 ADAS 開發(fā)人員可以在基于微控制器 (MCU) 的設(shè)計中，將 Excelon F-RAM 器件（用于存儲關(guān)鍵數(shù)據(jù)）與 NOR 閃存器件（常用于存儲固件或配置數(shù)據(jù)）結(jié)合起來使用,。

　　開發(fā)人員只需將 Excelon F-RAM 簡單地連接到主機處理器的串行外設(shè)接口 (SPI) 總線,，便可輕松將其加入設(shè)計,。CY15x102QN F-RAM 設(shè)計用作 SPI 從器件，支持高達 50 兆赫茲 (MHz) 的 SPI 時鐘速率,。在典型硬件配置中,，開發(fā)人員將 F-RAM 的串行輸入 (SI) 和串行輸出 (SO) 分別連接到 SPI 主控器的主輸出從輸入 (MOSI) 和主輸入從輸出 (MISO) 線。隨后再連接到相應(yīng)的串行時鐘 (SCK) 和片選 (/CS) 線,，便完成了硬件接口,。開發(fā)人員可以將多個器件并用來共享主機的 SPI 總線（圖 5）。

　　圖 5：開發(fā)人員可以使用共享 SPI 總線將主機處理器與一個或多個 CY15x102QN F-RAM 連接起來,。

　　針對沒有 SPI 功能的 MCU,，CY15x102QN 器件支持一種簡單的替代方案，即利用微控制器的通用 IO (GPIO) 來仿真 SPI 硬件接口,，從而連接到 F-RAM,。開發(fā)人員只需使用三個 GPIO 便能實現(xiàn)此接口，即 F-RAM 的 SI 和 SO 數(shù)據(jù)線使用同一引腳（圖 6）,。

　　圖 6：針對沒有原生 SPI 功能的微控制器,，開發(fā)人員可以簡單地使用微控制器的通用 IO 來仿真 SPI 協(xié)議，從而訪問 CY15x102QN 串行 F-RAM,。

　　在標(biāo)準(zhǔn) SPI 協(xié)議中,，主器件通過拉低 /CS 來啟動事務(wù)處理。在 /CS 變?yōu)榈碗娖胶?，F(xiàn)-RAM 將下一個字節(jié)解釋為操作碼,。例如，寫操作對應(yīng)的是 SPI 標(biāo)準(zhǔn)寫操作碼 (02h),，加上三字節(jié)地址和一些數(shù)據(jù)字節(jié)（圖 7）,。

　　圖 7：Cypress 的 CY15x102QN F-RAM 器件支持標(biāo)準(zhǔn) SPI 操作碼和協(xié)議，開發(fā)人員通過順序發(fā)送寫操作碼 (02h),、地址和數(shù)據(jù)便可輕松執(zhí)行零延遲寫操作,。

　　對于 2 Mb CY15x102QN F-RAM，地址是一個三字節(jié)序列,，忽略高六位,。Cypress 建議將此高六位設(shè)置為零，以便將來能輕松過渡到更高容量的 F-RAM 器件,。

　　讀操作遵循相同的協(xié)議,。接收到標(biāo)準(zhǔn)讀操作碼 (03h) 和地址后，F(xiàn)-RAM 器件通過 SO 順序發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié),，自動遞增存儲器地址,，同時 /CS 保持低電平，時鐘信號繼續(xù)產(chǎn)生。因此,，開發(fā)人員可以執(zhí)行批量讀操作,，只需讓 /CS 保持低電平并繼續(xù)發(fā)出 SCK 時鐘信號，直到讀取所需數(shù)量的數(shù)據(jù)字節(jié)為止,。

　　CY15x102QN F-RAM 還支持與串行閃存兼容的快速讀取功能,。在快速讀操作碼 (0Bh) 和地址之后,，SPI 主機發(fā)送一個偽字節(jié)來模擬閃存讀取延時,。接收到偽字節(jié)后，F(xiàn)-RAM 用所請求的數(shù)據(jù)作出響應(yīng),?？焖僮x取操作使用與標(biāo)準(zhǔn)讀操作相同的機制，也能執(zhí)行批量讀操作,。

　　寫保護

　　除了 SPI 接口控制邏輯外,，CY15x102QN F-RAM 還提供其他機制來識別器件并對 F-RAM 陣列進行寫保護。

　　開發(fā)人員可以發(fā)出 SPI 操作碼來訪問 CY15x102QN 器件的只讀唯一 ID 和器件 ID,，獲得制造商,、存儲器密度和零件版本等信息。開發(fā)人員還可以設(shè)置 8 字節(jié)讀 / 寫序列號寄存器,，將 F-RAM 與特定系統(tǒng)或配置相關(guān)聯(lián),。

　　關(guān)于 F-RAM 保護，該器件同時提供了軟件和硬件機制,。對于制造過程中的數(shù)據(jù)保護,，有一個專用 256 字節(jié)特殊扇區(qū)可以在多達三個標(biāo)準(zhǔn)回流焊周期中保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性。對于正常工作期間的保護,，器件使用寫使能鎖存器 (WEL) 來保護 F-RAM 陣列免于意外寫入,。上電時，WEL 默認(rèn)清零,，需要開發(fā)人員發(fā)出寫使能 (WREN) 操作碼 (06h) 才能執(zhí)行寫操作,。

　　器件狀態(tài)寄存器有一對塊保護 (BP) 位 BP0 和 BP1，允許開發(fā)人員保護存儲器的全部地址范圍（BP1=1,，BP0=1）,，或僅保護存儲器的上半部分（BP1=1，BP0=0）,，或僅保護存儲器的上部四分之一（BP1=0,，BP0=1）。

　　開發(fā)人員可以使用硬件寫保護引腳 (/WP) 來防止軟件在正常工作期間修改 BP 位,。為此,，開發(fā)人員在狀態(tài)寄存器中設(shè)置寫保護使能 (WPEN) 位，并將 /WP 引腳置為低電平以鎖定狀態(tài)寄存器。

　　電源管理

　　以最高 50 MHz 時鐘速率正常運行時,，F(xiàn)-RAM 技術(shù)固有的高能效使得 CY15V102QN（VDD 1.71 至 1.89 V）的典型電流消耗僅為 5.0 毫安 (mA),。開發(fā)人員可以降低時鐘頻率以進一步節(jié)省功耗，CY15V102QN 在 1 MHz 時的電流消耗降至大約 0.4 mA,。CY15B102QN（VDD 1.8 至 3.6 V）的電流消耗僅略高一點,，50 MHz 時為 6.0 mA，1 MHz 時為 0.5 mA,。

　　長時間不活動時,，開發(fā)人員可以使用 SPI 操作碼將 CY15x102QN 器件設(shè)置為如下三種低功耗模式中的一種，從而顯著降低功耗：

　　待機模式,，CY15V102QN 的典型電流消耗為 2.7 微安 (μA),，CY15B102QN 為 3.2 μA

　　深度省電模式，CY15V102QN 為 1.1 μA,，CY15B102QN 為 1.3 μA

　　休眠模式,，兩個器件均為 0.1 μA

　　只要 SPI 主機在操作碼序列結(jié)束時將 /CS 設(shè)置為高電平，CY15x102QN 器件就會自動切換到待機模式,。要將器件切換到深度省電或休眠模式,，SPI 主機須使用 SPI 操作碼協(xié)議。具體來說,，SPI 主機切換到兩種最低功耗模式之一的步驟如下：首先將 /CS 設(shè)置為低電平,，然后發(fā)送一個特殊操作碼（深度省電為 BAh，休眠為 B9h）,，最后將 /CS 設(shè)置為高電平（圖 8）,。

　　圖 8：CY15x102QN F-RAM 器件在操作碼序列結(jié)束后自動進入待機模式，但開發(fā)人員可以使用正常 SPI 操作碼程序?qū)⑵渲糜诟凸哪Ｊ?，如深度省?(DPD) 模式,。

　　當(dāng) SPI 主機在發(fā)送適當(dāng)?shù)牡凸牟僮鞔a后將 /CS 設(shè)置為高電平時，CY15x102QN F-RAM 在約 3 μs 內(nèi)進入要求的低功耗模式,。

　　在待機模式下,，當(dāng) /CS 變?yōu)榈碗娖綍r，Cypress F-RAM 會立即返回活動模式以啟動下一個操作碼序列,。在深度省電或休眠模式下,，F(xiàn)-RAM 在 /CS 變?yōu)榈碗娖胶笠矔祷鼗顒幽Ｊ剑疃仁‰娔Ｊ接幸粋€大約 10 μs 的短暫延遲,，休眠模式的延遲時間為 450 μs,。

　　總結(jié)

　　在各種各樣依賴越來越多的傳感器提供數(shù)據(jù)的應(yīng)用中，對可靠,、快速,、低功耗,、高性能 NVM 的需求變得越來越重要。在像汽車 ADAS 之類關(guān)鍵任務(wù)型應(yīng)用領(lǐng)域,，數(shù)據(jù)丟失會嚴(yán)重削弱旨在保護車輛及其乘客的安全機制,。

　　使用 Cypress Semiconductor 的 F-RAM 器件，開發(fā)人員可以輕松增加能夠可靠存儲關(guān)鍵數(shù)據(jù)數(shù)十年的 NVM,，而不用犧牲性能或低功耗要求,。