利用铁电存储器提高汽车应用的可靠性
非易失性存储器 (nvm) 在几乎所有嵌入式系统设计中都起着关键作用，但许多设计对非易失性存储器在数据写入和访问速度、数据保留、低功耗等方面的要求越来越严格。在汽车应用中更是如此，设计人员正在努力打造更先进的功能，例如高级辅助驾驶系统 (adas) 这类任务关键型功能。
为确保这些系统安全可靠地运行，设计人员需要深入研究先进的铁电随机存取存储器 (f-ram)，作为要求可靠性高、功耗低且比当前 nvm 解决方案速度更快的低功耗汽车级 nvm 的选择。
本文讨论 f-ram 技术的关键特性，并介绍开发人员如何使用cypress semiconductor的两款 f-ram 解决方案来增强 adas 的可靠性，关注发烧友公众号回复资料和邮箱地址可以获取电子资料一份。并以 adas 为代理，将 f-ram 的使用范围扩大至其他任务关键型应用。
汽车 nvm 要求 汽车行业不断集成具有更高分辨率和更快更新速率的更先进传感器，汽车安全应用则是这种行业趋势的缩影。adas、电子控制单元 (ecu) 和事件数据记录仪 (edr) 等汽车子系统的持续发展，并高度依赖于从各种传感器收集到的大量数据。任何数据丢失，甚至数据访问速度的滞缓，都有可能危及系统安全、车辆和乘客。
例如，在 adas 设计中，写入电可擦除可编程只读存储器 (eeprom) 所需的时间可能会引入灾难性的延迟时间，导致旨在避免检测到的危险情况的自动操作功能反应迟缓。在 edr 设计中，如果车辆事故引发电源故障，那么写入速度缓慢可能导致关键传感器数据丢失，致使了解事故根本原因所需的数据消于无形。
f-ram nvm 特性 采用 f-ram 技术构建的存储器件可以有效地替代 nvm，满足在可靠数据存储和高速访问方面日益增长的需求和性能要求。此类器件由锆钛酸铅（pb[zrxti1−x]o3，简称为 pzt）制成。pzt 具有独特的性质，施加电场后，pzt 晶体中嵌入的金属空位（阳离子）依据电场方向获得两种可能极化状态（向上或向下）中的一种（图 1）。
图 1：f-ram 技术利用了 pzt 材料在受到电场作用时表现出的两个同样稳定的能态。（图片来源：cypress semiconductor）
由于两者同是低能态，当移开电场时，阳离子将继续处于其最近的极化状态（图 2）。施加正或负电场时，阳离子将再次快速转变至适当的极化态，遵循与铁磁材料类似的特征磁滞回线。
图 2：pzt 材料遵循特征磁滞回线，响应施加的电场而在两个稳定的极化态之间切换。（图片来源：wikimedia commons/ cc-by-sa-3.0）
f-ram 技术的特性直接决定了采用该技术制造的 nvm 器件具有许多优点。两种 pzt 能态同样稳定，因而阳离子可数十年乃至数百年保持在其最后位置不变，使得基于 pzt 的 f-ram nvm 器件具备前所未有的数据保留期限。此外，该技术基于阳离子位置，而不是其他 nvm 技术的电荷储存机制，因此 f-ram 器件具备固有的辐射耐受性，不受电离辐射的单粒子翻转影响。
除了长期存储的优势之外，f-ram 技术还增强了 nvm 器件的动态性能。状态转变非常迅速，并且只需很少的能量，克服了任务关键型应用中与使用 eeprom 或闪存有关的根本限制。在相对较慢的写周期中，eeprom 和闪存器件需要一个与数据缓冲有关的相当长“停留时间”(soak time)。写周期中的这种额外延迟会导致数据处于风险中，如果在操作完成并检查最终读取状态之前电源出现故障，数据可能会完全丢失（图 3）。
图 3：与 f-ram 器件相比，eeprom 或闪存写操作需要相当长的停留时间（红色突出显示部分），在此期间数据仍处于风险之中。（图片来源：cypress semiconductor）
为了应对 eeprom 或闪存写周期较慢的问题，开发人员如果希望减轻电源故障的影响，就需要添加大电容或电池及适当的稳压器，使 nvm 电源电压维持足够长的时间以便完成写操作。相比之下，f-ram（例如 cypress semiconductor 的 excelon-auto 器件）在写操作期间以总线速度工作，大大降低了关键数据丢失的可能性，而且无需在设计中使用补充电源。
汽车级 f-ram 器件 excelon™-auto f-ram 器件在功能上与串行 eeprom 和串行闪存相似，旨在满足关键任务应用对可靠、高性能 nvm 的需求。汽车系统设计人员可以使用这些符合 aec-q100 标准的器件取代其他类型的存储器；有两种型号可供选择：cy15v102qn采用 1.71 至 1.89 v 电压，cy15b102qn采用 1.8 至 3.6 v 电压。两者都是 2 兆位 (mb) 器件，采用 256 kb x 8 逻辑组织结构。
在 -40°c 至 +125°c 的工作温度范围内，excelon f-ram 的数据保留期限远远超出其他 nvm 技术。例如，cy15x102qn 在 85°c 的温度下运行时可以保留数据大约 121 年。数据保留期限与温度成反比，如果被迫在典型发动机温度的较高一端运行（例如 95°c），则 f-ram 的估计数据保留期限为 35 年。
在可靠性方面，f-ram 的读/写周期耐久性为 1013，比典型 eeprom 或闪存高出大约 7 个数量级。因此，使用此类 f-ram 器件的开发人员不需要实施损耗均衡（将写操作分配到各扇区以解决其他 nvm 技术存在的写周期有限的问题）之类的技术。
采用 f-ram 的简化设计 在典型设计中，开发人员可以使用此类器件直接替换或补充其他类型的 nvm 器件，例如 nor 闪存。例如，在 adas 设计中，开发人员可以同时使用 nor 闪存和 excelon f-ram，前者用于存储固件，后者则能可靠地处理来自许多汽车子系统（为 adas 应用提供输入）的多个数据流（图 4）。
图 4：汽车 adas 开发人员可以在基于微控制器 (mcu) 的设计中，将 excelon f-ram 器件（用于存储关键数据）与 nor 闪存器件（常用于存储固件或配置数据）结合起来使用。（图片来源：cypress semiconductor）
开发人员只需将 excelon f-ram 简单地连接到主机处理器的串行外设接口 (spi) 总线，便可轻松将其加入设计。cy15x102qn f-ram 设计用作 spi 从器件，支持高达 50 兆赫兹 (mhz) 的 spi 时钟速率。在典型硬件配置中，开发人员将 f-ram 的串行输入 (si) 和串行输出 (so) 分别连接到 spi 主控器的主输出从输入 (mosi) 和主输入从输出 (miso) 线。随后再连接到相应的串行时钟 (sck) 和片选 (/cs) 线，便完成了硬件接口。开发人员可以将多个器件并用来共享主机的 spi 总线（图 5）。
图 5：开发人员可以使用共享 spi 总线将主机处理器与一个或多个 cy15x102qn f-ram 连接起来。（图片来源：cypress semiconductor）
针对没有 spi 功能的 mcu，cy15x102qn 器件支持一种简单的替代方案，即利用微控制器的通用 io (gpio) 来仿真 spi 硬件接口，从而连接到 f-ram。开发人员只需使用三个 gpio 便能实现此接口，即 f-ram 的 si 和 so 数据线使用同一引脚（图 6）。
图 6：针对没有原生 spi 功能的微控制器，开发人员可以简单地使用微控制器的通用 io 来仿真 spi 协议，从而访问 cy15x102qn 串行 f-ram。（图片来源：cypress semiconductor）
在标准 spi 协议中，主器件通过拉低 /cs 来启动事务处理。在 /cs 变为低电平后，f-ram 将下一个字节解释为操作码。例如，写操作对应的是 spi 标准写操作码 (02h)，加上三字节地址和一些数据字节（图 7）。
图 7：cypress 的 cy15x102qn f-ram 器件支持标准 spi 操作码和协议，开发人员通过顺序发送写操作码 (02h)、地址和数据便可轻松执行零延迟写操作。（图片来源：cypress semiconductor）
对于 2 mb cy15x102qn f-ram，地址是一个三字节序列，忽略高六位。cypress 建议将此高六位设置为零，以便将来能轻松过渡到更高容量的 f-ram 器件。
读操作遵循相同的协议。接收到标准读操作码 (03h) 和地址后，f-ram 器件通过 so 顺序发送数据字节，自动递增存储器地址，同时 /cs 保持低电平，时钟信号继续产生。因此，开发人员可以执行批量读操作，只需让 /cs 保持低电平并继续发出 sck 时钟信号，直到读取所需数量的数据字节为止。
cy15x102qn f-ram 还支持与串行闪存兼容的快速读取功能。在快速读操作码 (0bh) 和地址之后，spi 主机发送一个伪字节来模拟闪存读取延时。接收到伪字节后，f-ram 用所请求的数据作出响应。快速读取操作使用与标准读操作相同的机制，也能执行批量读操作。
写保护 除了 spi 接口控制逻辑外，cy15x102qn f-ram 还提供其他机制来识别器件并对 f-ram 阵列进行写保护。
开发人员可以发出 spi 操作码来访问 cy15x102qn 器件的只读唯一 id 和器件 id，获得制造商、存储器密度和零件版本等信息。开发人员还可以设置 8 字节读/写序列号寄存器，将 f-ram 与特定系统或配置相关联。
关于 f-ram 保护，该器件同时提供了软件和硬件机制。对于制造过程中的数据保护，有一个专用 256 字节特殊扇区可以在多达三个标准回流焊周期中保持数据完整性。对于正常工作期间的保护，器件使用写使能锁存器 (wel) 来保护 f-ram 阵列免于意外写入。上电时，wel 默认清零，需要开发人员发出写使能 (wren) 操作码 (06h) 才能执行写操作。
器件状态寄存器有一对块保护 (bp) 位 bp0 和 bp1，允许开发人员保护存储器的全部地址范围（bp1=1，bp0=1），或仅保护存储器的上半部分（bp1=1，bp0=0），或仅保护存储器的上部四分之一（bp1=0，bp0=1）。
开发人员可以使用硬件写保护引脚 (/wp) 来防止软件在正常工作期间修改 bp 位。为此，开发人员在状态寄存器中设置写保护使能 (wpen) 位，并将 /wp 引脚置为低电平以锁定状态寄存器。
电源管理 以最高 50 mhz 时钟速率正常运行时，f-ram 技术固有的高能效使得 cy15v102qn（vdd 1.71 至 1.89 v）的典型电流消耗仅为 5.0 毫安 (ma)。开发人员可以降低时钟频率以进一步节省功耗，cy15v102qn 在 1 mhz 时的电流消耗降至大约 0.4 ma。cy15b102qn（vdd 1.8 至 3.6 v）的电流消耗仅略高一点，50 mhz 时为 6.0 ma，1 mhz 时为 0.5 ma。
长时间不活动时，开发人员可以使用 spi 操作码将 cy15x102qn 器件设置为如下三种低功耗模式中的一种，从而显著降低功耗：
待机模式，cy15v102qn 的典型电流消耗为 2.7 微安 (μa)，cy15b102qn 为 3.2 μa 深度省电模式，cy15v102qn 为 1.1 μa，cy15b102qn 为 1.3 μa 休眠模式，两个器件均为 0.1 μa 只要 spi 主机在操作码序列结束时将 /cs 设置为高电平，cy15x102qn 器件就会自动切换到待机模式。要将器件切换到深度省电或休眠模式，spi 主机须使用 spi 操作码协议。具体来说，spi 主机切换到两种最低功耗模式之一的步骤如下：首先将 /cs 设置为低电平，然后发送一个特殊操作码（深度省电为 bah，休眠为 b9h），最后将 /cs 设置为高电平（图 8）。
图 8：cy15x102qn f-ram 器件在操作码序列结束后自动进入待机模式，但开发人员可以使用正常 spi 操作码程序将其置于更低功耗模式，如深度省电 (dpd) 模式。（图片来源：cypress semiconductor）
当 spi 主机在发送适当的低功耗操作码后将 /cs 设置为高电平时，cy15x102qn f-ram 在约 3 μs 内进入要求的低功耗模式。
在待机模式下，当 /cs 变为低电平时，cypress f-ram 会立即返回活动模式以启动下一个操作码序列。在深度省电或休眠模式下，f-ram 在 /cs 变为低电平后也会返回活动模式，但深度省电模式有一个大约 10 μs 的短暂延迟，休眠模式的延迟时间为 450 μs。
总结 在各种各样依赖越来越多的传感器提供数据的应用中，对可靠、快速、低功耗、高性能 nvm 的需求变得越来越重要。在像汽车 adas 之类关键任务型应用领域，数据丢失会严重削弱旨在保护车辆及其乘客的安全机制。
使用 cypress semiconductor 的 f-ram 器件，开发人员可以轻松增加能够可靠存储关键数据数十年的 nvm，而不用牺牲性能或低功耗要求。
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图 1：f-ram 技术利用了 pzt 材料在受到电场作用时表现出的两个同样稳定的能态。（图片来源：cypress semiconductor）
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图 2：pzt 材料遵循特征磁滞回线，响应施加的电场而在两个稳定的极化态之间切换。（图片来源：wikimedia commons/ cc-by-sa-3.0）
f-ram 技术的特性直接决定了采用该技术制造的 nvm 器件具有许多优点。两种 pzt 能态同样稳定，因而阳离子可数十年乃至数百年保持在其最后位置不变，使得基于 pzt 的 f-ram nvm 器件具备前所未有的数据保留期限。此外，该技术基于阳离子位置，而不是其他 nvm 技术的电荷储存机制，因此 f-ram 器件具备固有的辐射耐受性，不受电离辐射的单粒子翻转影响。
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图 3：与 f-ram 器件相比，eeprom 或闪存写操作需要相当长的停留时间（红色突出显示部分），在此期间数据仍处于风险之中。（图片来源：cypress semiconductor）
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开发人员只需将 excelon f-ram 简单地连接到主机处理器的串行外设接口 (spi) 总线，便可轻松将其加入设计。cy15x102qn f-ram 设计用作 spi 从器件，支持高达 50 兆赫兹 (mhz) 的 spi 时钟速率。在典型硬件配置中，开发人员将 f-ram 的串行输入 (si) 和串行输出 (so) 分别连接到 spi 主控器的主输出从输入 (mosi) 和主输入从输出 (miso) 线。随后再连接到相应的串行时钟 (sck) 和片选 (/cs) 线，便完成了硬件接口。开发人员可以将多个器件并用来共享主机的 spi 总线（图 5）。
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图 7：cypress 的 cy15x102qn f-ram 器件支持标准 spi 操作码和协议，开发人员通过顺序发送写操作码 (02h)、地址和数据便可轻松执行零延迟写操作。（图片来源：cypress semiconductor）
对于 2 mb cy15x102qn f-ram，地址是一个三字节序列，忽略高六位。cypress 建议将此高六位设置为零，以便将来能轻松过渡到更高容量的 f-ram 器件。
读操作遵循相同的协议。接收到标准读操作码 (03h) 和地址后，f-ram 器件通过 so 顺序发送数据字节，自动递增存储器地址，同时 /cs 保持低电平，时钟信号继续产生。因此，开发人员可以执行批量读操作，只需让 /cs 保持低电平并继续发出 sck 时钟信号，直到读取所需数量的数据字节为止。
cy15x102qn f-ram 还支持与串行闪存兼容的快速读取功能。在快速读操作码 (0bh) 和地址之后，spi 主机发送一个伪字节来模拟闪存读取延时。接收到伪字节后，f-ram 用所请求的数据作出响应。快速读取操作使用与标准读操作相同的机制，也能执行批量读操作。
写保护 除了 spi 接口控制逻辑外，cy15x102qn f-ram 还提供其他机制来识别器件并对 f-ram 阵列进行写保护。
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电源管理 以最高 50 mhz 时钟速率正常运行时，f-ram 技术固有的高能效使得 cy15v102qn（vdd 1.71 至 1.89 v）的典型电流消耗仅为 5.0 毫安 (ma)。开发人员可以降低时钟频率以进一步节省功耗，cy15v102qn 在 1 mhz 时的电流消耗降至大约 0.4 ma。cy15b102qn（vdd 1.8 至 3.6 v）的电流消耗仅略高一点，50 mhz 时为 6.0 ma，1 mhz 时为 0.5 ma。
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图 8：cy15x102qn f-ram 器件在操作码序列结束后自动进入待机模式，但开发人员可以使用正常 spi 操作码程序将其置于更低功耗模式，如深度省电 (dpd) 模式。（图片来源：cypress semiconductor）
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