Sistemele embedded utilizate în industrie, în sectorul auto și în domeniul bunurilor de larg consum au nevoie de memorie nevolatilă pentru stocarea firmware-ului, a datelor de configurare, a preferințelor utilizatorului și a credențialelor de securitate, chiar și atunci când alimentarea este întreruptă. Aceasta trebuie, de asemenea, configurată astfel încât controlerul embedded să poată accesa datele rapid și fiabil, încadrându-se totodată în spațiul disponibil pe placa de circuit imprimat (PCB). Odată integrată în sistem, capsula de memorie trebuie să funcționeze în condiții de siguranță într-un interval larg de temperaturi și să reziste la sute de mii de cicluri de citire/scriere pe parcursul mai multor decenii.
Memoria NOR Flash s-a impus ca o soluție flexibilă și fiabilă de stocare nevolatilă, capabilă să răspundă cerințelor sistemelor embedded. Acest articol analizează principalele tipuri de astfel de memorii, configurațiile de comunicație, proiectarea plăcilor PCB și aspectele legate de fiabilitate care trebuie luate în considerare la implementarea lor în sisteme embedded.
Memoria contează
Două dintre cele mai comune tipuri de memorie utilizate în sistemele embedded moderne sunt NOR Flash și NAND Flash, denumirile provenind din asemănarea structurală cu porțile logice corespunzătoare. Celulele NAND Flash sunt dispuse în serie, o configurație care permite stocarea unor volume mai mari de date și obținerea unor densități mai ridicate, la un cost mai mic per bit. Acest tip de memorie este întâlnit frecvent în sistemele de infotainment ale autovehiculelor, unde poate stoca muzică, date de navigație, grafică și alte fișiere cu cerințe mari de capacitate, într-un mod eficient din punctul de vedere al spațiului și al costurilor.
Datorită dispunerii paralele a celulelor, memoria NOR Flash oferă un acces aleatoriu mai rapid la datele stocate. Ocupă însă mai mult spațiu fizic decât NAND Flash și are un cost mai ridicat per bit, motiv pentru care este aleasă, de regulă, pentru utilizări precum stocarea firmware-ului, care necesită o capacitate mai redusă, dar o viteză superioară de acces aleatoriu.
Această viteză permite sistemelor embedded bazate pe NOR Flash să pornească rapid și să răspundă prompt la condițiile de funcționare. Memoria NOR Flash suportă operații de tip “execute-in-place” (XIP), prin care procesoarele pot accesa codul direct din memoria Flash nevolatilă.
NOR Flash permite și utilizarea tehnicii “code shadowing”, prin care codul și datele sunt copiate în memoria volatilă cu acces aleatoriu (RAM). Totuși, XIP îi ajută pe proiectanți să economisească spațiu pe placă și să reducă costurile, deoarece memoria RAM poate fi rezervată doar rutinelor accesate frecvent și datelor de lucru, precum variabilele, bufferele și stivele.
Conexiune serială pentru viteză?
Cea mai rapidă memorie NOR Flash comunică printr-o magistrală paralelă. De exemplu, o memorie NOR Flash paralelă pe 32-biți, cu o frecvență de ceas de 100 MHz, poate atinge un debit de date de până la 3,2 Gb/s. Totuși, această arhitectură necesită un spațiu considerabil pe placa de circuit imprimat (PCB) și implică o complexitate ridicată, în timp ce un debit de 80 MB/s este suficient pentru majoritatea sistemelor embedded.
Memoria NOR Flash de înaltă densitate de la Integrated Silicon Solution, Inc. (ISSI) utilizează, în schimb, interfața periferică serială (SPI). Folosită frecvent pentru comunicațiile între cipuri, SPI se bazează pe patru semnale – Clock, Chip Select, Data In și Data Out – oferind o interfață simplificată, care reduce atât complexitatea plăcii, cât și numărul de pini.
Memoria SPI NOR Flash de la ISSI suportă o frecvență standard de citire de 80 MHz, o rată de transfer dublă (DTR) de până la 104 MHz, în care datele sunt transmise la începutul și la sfârșitul fiecărui ciclu de ceas, precum și citirea rapidă la frecvențe de până la 166 MHz. Pentru SPI standard, aceasta corespunde unui debit de 166 Mb/s, cu un bit transmis la fiecare ciclu de ceas. Dual SPI transformă pinii Data In și Data Out în canale bidirecționale, dublând debitul disponibil la 332 Mb/s, în timp ce Quad SPI ajunge la 664 Mb/s, respectiv 83 MB/s.
Quad Peripheral Interface (QPI), o altă funcționalitate disponibilă în anumite produse NOR Flash, transformă doi pini suplimentari în canale bidirecționale pentru transmiterea informațiilor de protocol și a datelor, reducând astfel suprasarcina asociată instrucțiunilor. În modul QPI, memoria NOR Flash permite operarea XIP și, implicit, utilizarea unor plăci PCB mai mici și mai puțin complexe.
Proiectarea PCB-urilor
Utilizarea eficientă a spațiului de pe placă de către cipurile SPI NOR Flash nu depinde doar de dimensiunea capsulei sau de amprenta acesteia. În locul celor peste 40 de pini necesari unei memorii NOR Flash cu interfață paralelă, fiecare având propriul traseu pe PCB, numeroase aplicații embedded pot utiliza cipuri SPI NOR Flash cu 8 până la 16 pini, simplificând astfel proiectarea plăcii și reducând la minimum numărul de straturi.
Capsule SOP pentru integrare și asamblare facilă
Figura 1: Memoria NOR Flash de la ISSI este disponibilă într-o capsulă SOP cu 16 pini și densități de 512 Mbit și 1 Gbit. (Sursa imaginii: ISSI)
Cipurile SPI NOR Flash din seria IS25xP de la ISSI sunt disponibile în trei configurații, astfel încât inginerii o pot alege pe cea mai potrivită pentru proiectarea PCB-ului, procesul de fabricație și cerințele aplicației. Capsula de dimensiuni reduse SOP (Small-Outline Package), cunoscută și sub denumirea SOIC (Small-Outline Integrated Circuit), este o configurație utilizată frecvent pentru memoria SPI NOR Flash în sisteme embedded, de la echipamente de control industrial până la controlere pentru motoarele autovehiculelor și module de control al caroseriei. Terminalele externe dispuse pe cele două laturi ale capsulei (Figura 1) pot fi lipite manual și inspectate cu ușurință.
Cipurile NOR Flash de la ISSI în capsulă SOP au o înălțime de 2,65 mm și dimensiuni exterioare de 10,31 mm × 10,31 mm, incluzând terminalele, în timp ce corpul capsulei are o lățime de 7,50 mm. Inginerii pot alege variante care funcționează la 1,8 V sau 3 V, cu densități de 512 Mbit ori 1 Gbit. Pe lângă ușurința de asamblare, care le recomandă pentru prototipuri și plăci de dezvoltare, aceste memorii sunt utilizate și în sisteme embedded critice datorită costului relativ redus și fiabilității dovedite în timp.
WSON pentru aplicații cu spațiu limitat
Capsulele WSON, foarte subțiri, cu contur redus și fără terminale exterioare, au un profil mai mic și sunt mai compacte decât variantele SOP. Cipurile din seria IS25xP disponibile în acest format (Figura 2) au dimensiunile de 0,75 mm înălțime × 6 mm × 8 mm.
Figura 2: Memoria NOR Flash din seria IS25xP este disponibilă într-o capsulă WSON de 0,75 mm înălțime, cu suport QPI și densitate de 512 Mbit, pentru funcționare la 1,8 V sau 3 V. (Sursa imaginii: ISSI)
Capsulele compacte WSON pentru memorii NOR Flash prezintă o inductanță parazită redusă, deoarece contactele lor electrice se aliniază cu cele de pe PCB, aflate imediat sub marginile cipului. Acest avantaj trebuie însă pus în balanță cu dificultățile asociate îmbinărilor de lipire ascunse, care impun utilizarea unei linii de producție automatizate și îngreunează atât inspecția, cât și reprelucrarea.
Capsulele WSON pot stoca până la 512 Mbit de date. Utilizate frecvent în dispozitive IoT și echipamente portabile, variantele SPI NOR Flash în acest format sunt potrivite pentru module de senzori și camere, precum și pentru unități electronice de control (ECU), acolo unde spațiul disponibil este limitat.
TFBGA pentru densități mari de memorie
Pentru aplicațiile cu firmware complex și cerințe ridicate de memorie poate fi necesară utilizarea unei memorii NOR Flash de înaltă densitate într-o capsulă TFBGA (Thin Fine-Pitch Ball Grid Array). Variantele din această serie au dimensiunile de 6 mm × 8 mm și o înălțime maximă de 1,2 mm (Figura 3).
Capsulele TFBGA permit realizarea unui număr mare de conexiuni într-un spațiu redus, menținând totodată inductanța parazită la un nivel scăzut. Seria IS25xP oferă densități de până la 2 Gbit. Performanțele electrice și de stocare superioare au determinat utilizarea memoriilor NOR Flash în capsulă TFBGA pentru sisteme de infotainment ale autovehiculelor, panouri de bord digitale, controlere pentru grupuri de funcții ale vehiculului și echipamente de rețea, în pofida costurilor mai mari implicate de lipirea automatizată și inspecția cu raze X.
Figura 3: Capsulele TFBGA pentru cipurile NOR Flash din seria IS25xP de la ISSI au dimensiunile de 6 mm × 8 mm × 1,2 mm și oferă densități de până la 2 Gbit la o tensiune de funcționare de 3 V. (Sursa imaginii: ISSI)
Asigurarea fiabilității
Indiferent dacă o aplicație necesită o memorie NOR Flash într-o capsulă SOP, ușor de implementat, sau o variantă TFBGA de înaltă densitate, sistemele embedded trebuie să ofere un grad ridicat de fiabilitate. Tehnologia NOR Flash este bine cunoscută și asigură o retenție excelentă a datelor. De exemplu, cipurile de la ISSI pot suporta peste 100.000 de cicluri de ștergere/programare și pot păstra informațiile timp de peste 20 de ani. Acestea includ și funcții de securitate, precum protecția la scriere prin software și hardware, precum și mecanisme avansate pentru protejarea sectoarelor și blocurilor, astfel încât sistemele embedded să fie ferite de intervenții neautorizate și să funcționeze conform proiectării.
Cipurile NOR Flash de înaltă densitate trebuie să ofere și o fiabilitate fizică ridicată. Toate componentele din seria IS25xP sunt specificate pentru temperaturi cuprinse între −40°C și +105°C, iar variantele A3 pot funcționa la valori de până la +125°C. Seria suportă, totodată, operarea cu consum redus de energie, o caracteristică importantă pentru aplicațiile din sectorul auto și cele mobile. Consumul este de 16 mA în timpul citirii active, 24 μA în modul standby și poate coborî până la numai 2 μA în modul Deep-Power-Down.
Concluzie
Fiabilitatea, densitatea ridicată, viteza de acces aleatoriu și utilizarea eficientă a spațiului și costurilor au transformat memoria SPI NOR Flash într-o alegere importantă pentru inginerii care proiectează sisteme embedded cu cerințe complexe de firmware și software. Scalabilitatea, securitatea și viteza ridicată de citire fac această memorie nevolatilă potrivită pentru aplicații industriale, din sectorul auto, IoT și mobile, unde pornirea rapidă a sistemelor și persistența datelor sunt esențiale.
Autor: Rolf Horn – Inginer de aplicații
Rolf Horn, inginer de aplicații la DigiKey, face parte din grupul european de asistență tehnică din 2014, având responsabilitatea principală de a răspunde la orice întrebări legate de dezvoltare și inginerie de la clienții finali din EMEA, precum și de a scrie și corecta articole și bloguri în limba germană pe platformele TechForum și maker.io ale DK. Înainte de DigiKey, a lucrat la mai mulți producători din domeniul semiconductorilor, axându-se pe sisteme embedded FPGA, microcontrolere și procesoare pentru aplicații industriale și auto.
Rolf deține o diplomă în inginerie electrică și electronică de la Universitatea de Științe Aplicate din München, Bavaria și și-a început cariera profesională la un distribuitor local de produse electronice în calitate de arhitect de soluții de sistem pentru a-și împărtăși cunoștințele și expertiza în continuă creștere în calitate de consilier de încredere. Hobby-uri: petrecerea timpului cu familia + prietenii, călătoriile cu autorulota personală VW-California și plimbarea cu motocicleta, un BMW GS 100 din 1988.
Glosar de termeni
NOR Flash — Tip de memorie nevolatilă care permite acces aleatoriu rapid la date și execuția directă a codului prin XIP. Este potrivită în special pentru firmware și aplicații embedded care necesită pornire rapidă.
NAND Flash — Memorie nevolatilă cu celule dispuse în serie, optimizată pentru densități mari de stocare și cost redus per bit.
SPI (Serial Peripheral Interface) — Interfață serială utilizată pentru comunicația între circuite integrate, bazată în configurația standard pe semnalele Clock, Chip Select, Data In și Data Out.
DTR (Dual Transfer Rate) — Mod de transfer în care datele sunt transmise atât la începutul, cât și la sfârșitul fiecărui ciclu de ceas.
Dual SPI / Quad SPI — Configurații SPI care folosesc două, respectiv patru linii de date pentru creșterea debitului de transfer.
QPI (Quad Peripheral Interface) — Interfață în care patru linii pot funcționa bidirecțional pentru transmiterea comenzilor, adreselor și datelor, reducând suprasarcina protocolului.
XIP (Execute-in-Place) — Tehnică prin care procesorul execută codul direct din memoria Flash nevolatilă, fără a-l copia mai întâi în RAM.
Code shadowing — Tehnică prin care codul și datele sunt copiate din memoria nevolatilă în RAM pentru execuție sau acces rapid.
SOP (Small-Outline Package) — Capsulă pentru circuite integrate cu terminale dispuse pe două laturi, ușor de lipit și inspectat.
WSON (Very Thin Small Outline No-Lead) — Capsulă foarte subțire și compactă, fără terminale exterioare, potrivită pentru aplicații în care spațiul pe PCB este limitat.
TFBGA (Thin Fine-Pitch Ball Grid Array) — Capsulă BGA subțire, cu pas fin, care permite realizarea unui număr mare de conexiuni într-o suprafață redusă și suportă densități mari de memorie.
ECU (Electronic Control Unit) — Unitate electronică de control utilizată în autovehicule pentru gestionarea diferitelor funcții și subsisteme.