Как шум системного уровня в цифровых интерфейсах может привести к ложным ошибкам в последовательной флэш-памяти

В неустанном стремлении к повышению производительности на системном уровне производители интегрированных устройств (IDM) стали хорошо разбираться в разработке цифровых интерфейсов, способных работать на высоких скоростях в электрически сложных средах. Стандартные интерфейсы, такие как SPI и I2C, обеспечивают относительно простой способ надежного и эффективного соединения устройств от разных поставщиков. То же самое и для других типов интерфейсов.

Цифровую область можно рассматривать как безопасную гавань для разработчиков, стремящихся быстро создавать сложные системы с использованием «стандартных» технологий. Действительно, индустрия встраиваемых систем в значительной степени зависит от основанных на стандартах интерфейсов, которые «просто работают», поскольку они обеспечивают основу для инноваций. Когда они не «просто работают», это может привести к путанице, особенно если причина неисправности неверно истолкована. Любая путаница будет понятна, учитывая, что интерфейсы разработаны так, чтобы быть устойчивыми и надежными при применении в соответствии со спецификацией. Тот факт, что базовый физический интерфейс закреплен на кремнии, также дает уверенность.

Системный шум во всех его формах

Любое искажение сигнала можно интерпретировать как шум, и, вероятно, разумно предположить, что шум чаще всего проявляется в среде связи; полученный сигнал не является отправленным. Эту прямую корреляцию относительно просто найти, но в некоторых случаях причину и следствие не так легко идентифицировать. Проблема усугубляется, когда неисправность становится прерывистой.

Современные микроконтроллеры рассчитаны на надежную работу с минимальной конфигурацией. В случае последовательного интерфейса это может включать в себя настройку по умолчанию на высокие токи возбуждения на выводах ввода / вывода для борьбы с влиянием длинных дорожек на печатной плате или высоких емкостных нагрузок. В некоторых случаях это может привести к перегрузке интерфейса, что, в свою очередь, может привести к производным эффектам, которые интерпретируются как ошибки или сбои.

Например, устройства флэш-памяти с последовательным интерфейсом предлагают ряд расширенных функций, которые обеспечивают надежную работу и позволяют опрашивать устройство. Сюда могут входить фильтры шума, расширенное адаптивное программирование и алгоритмы стирания, управляющие полями ячеек. Некоторые производители также включают ECC в элементы хранения, сохраняя дополнительные метаданные при каждой операции записи, чтобы можно было обнаруживать и исправлять одно- или многобитовые ошибки, но это исправление ECC не поможет, когда шум нарушает базовую транзакцию сообщения на шине интерфейса связи.

Шум на интерфейсе SPI может быть ошибочно интерпретирован как дополнительные тактовые импульсы. Поскольку SPI является интерфейсом, управляемым часами, это может иметь такие последствия, как игнорирование команд, неправильная интерпретация данных, использование неправильных команд и т. Д. Однако шум также несет энергию, и в некоторых случаях эта энергия может сама вносить ошибки в работу устройства. .

Накачки заряда и выбросы

В большинстве случаев цифровые интерфейсы допускают некоторое перерегулирование или недостижение сигнала. Однако не следует забывать, что энергия под кривой все еще присутствует, и в некоторых цепях это может быть разрушительным.

В качестве примера можно привести схему подкачки заряда в последовательной флэш-памяти. Если сигналы шины SPI содержат значительный шум, существует вероятность того, что энергия в этом сигнале может перейти к зарядовому насосу и нарушить его работу.

Накачка заряда во флэш-памяти является важной функцией, поскольку она обеспечивает мощность, необходимую для изменения смещения ячейки памяти и, по сути, для хранения логической 1 или 0. Процесс записи / стирания является решающим моментом в работе флэш-памяти. памяти, любое нарушение работы зарядного насоса в это время может вызвать ошибки записи или стирания, и, хотя эти ошибки могут быть обнаружены, есть шанс, что они не будут очевидны.

Подобную ошибку легко интерпретировать как неисправность устройства флэш-памяти. Тот факт, что флеш-память имеет конечное число циклов чтения и записи, гарантированное производителем, хорошо понимается разработчиками встроенных систем, но, возможно, не так хорошо понимается важность обеспечения чистого интерфейса, лишенного слишком большого перерегулирования или недооценки.

В качестве примера рассмотрим изображение на рисунке 1. На нем показаны здоровые поля ячеек для шести флэш-устройств. Между ячейками, запрограммированными данными, представляющими логическую 1 (от 2 В до 5 В) и 0 (> 6 В), возникают два различных паттерна. Для сравнения, изображение на Рисунке 2 показывает запас ячейки памяти для трех флэш-устройств, на которых произошло повреждение данных, вызванное перерегулированием и занижением на линиях управления.

Рис. 1. На этом изображении показаны хорошие данные о разделении полей ячеек для флэш-памяти, которые были запрограммированы и стерты. (Источник:Adesto)

Рис. 2. На этом изображении показаны данные о плохом разделении границ ячеек для флэш-памяти, когда на линиях SPI присутствует значительный шум. (Источник:Adesto)

На уровень шума может влиять множество факторов, таких как частота работы, амплитуда сигнала, уровни возбуждения MCU и энергия, содержащаяся в пиках шума. Конструкция печатной платы и перекрестные помехи между сигналами также могут быть факторами.

Данные на Рисунке 2 показывают влияние чрезмерного перерегулирования и недорегулирования на последовательный интерфейс. На рисунке 3 ниже показано, как это перерегулирование будет выглядеть в реальном приложении.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рис. 3. На этом изображении графика четко видно, что перерегулирование и перерегулирование на линиях SPI привело к размаху напряжения 5,65 В, что превышает абсолютное максимальное значение, задокументированное в спецификации флэш-памяти. . (Источник:Adesto)

Результатом этого шума была ошибочная работа устройства, которая проявлялась как ошибки в сохраненных значениях последовательной флэш-памяти. Первоначально истинное влияние ошибок было упущено, так как реже опрос регистра STATUS приводил к меньшему количеству ошибок, что заставляло проектировщика делать неверные предположения о первопричине сбоя.

Выявление истинной первопричины

Хотя эта ошибка возникла как сбой памяти, основная причина была не во флэш-устройствах. Это было обнаружено инженерами Adesto путем зондирования сигналов SPI и определения присутствующего шума в системе. Хотя шум можно частично объяснить несоответствием импеданса на дорожке печатной платы между MCU и флэш-памятью, это еще не все.

Источником шума на самом деле был интерфейс MCU, для которого по умолчанию устанавливается высокий уровень возбуждения при включении питания. Чрезмерного накопления было достаточно, чтобы вызвать перерегулирование и недорегулирование на линиях SPI, которые в некоторых случаях могут быть неверно интерпретированы как переходы сигналов, приводящие к ошибкам чтения или записи. Однако в этом случае было обнаружено, что перерегулирование содержало достаточно энергии, чтобы прервать подачу заряда Flash, что, в свою очередь, вызывало ошибки.

В конструкции заказчика используемый микроконтроллер обеспечивает настраиваемый управляющий ток для его ввода / вывода, который при запуске по умолчанию имеет ВЫСОКИЙ уровень. Поскольку код приложения не изменял этот уровень во время инициализации, он оставался высоким при нормальной работе.

Влияние этого может не быть очевидным для других устройств на шине SPI, поскольку цифровые интерфейсы обычно проектируются надежными. Чувствительный характер флэш-памяти, необходимость работать на гораздо более высоких частотах и, в частности, работа подкачки заряда, сделали память восприимчивой к перерегулированию / недовыбору. Это привело к ошибочной операции, которая изначально была неверно интерпретирована как неисправность устройства флэш-памяти.

Исправление ошибки

Уменьшение тока привода с помощью микропрограммного обеспечения уменьшило выбросы и недостаточные выбросы практически до нуля (рис. 4) и, в свою очередь, привело к безошибочной работе флэш-памяти.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рис. 4. Без очевидного выброса зарядный насос последовательной флэш-памяти мог работать правильно и обеспечивать надежную работу. (Источник:Adesto)

Характер неисправности показал, что флэш-устройство прилагало все усилия для компенсации эффекта ошибки, которая заключалась в чрезмерном системном шуме на интерфейсе SPI.

Возможно, наиболее важным моментом здесь является то, что причиной на самом деле была конструктивная особенность используемого микроконтроллера, который по умолчанию перешел в рабочий режим, который в большинстве ситуаций был бы полностью приемлемым. Сочетание высокой выходной мощности привода и несовершенной индуктивности печатной платы создало условие, которое привело к периодическим сбоям. Уменьшение выходной мощности привода на MCU путем простого изменения прошивки решило проблему.

Это выдвигает на первый план настоящий урок:то, что может показаться подлинным отказом компонента, на самом деле может быть недосмотром конструкции. Замена запоминающих устройств была бы естественным ответом на то, что изначально считалось неисправностью, но благодаря прочным рабочим отношениям между заказчиком и поставщиком, а также командами разработчиков аппаратного и программного обеспечения была найдена реальная причина и применено правильное решение. . Результатом стал значительно лучший дизайн, более высокая производительность и надежность системы.

Заключение

Системный шум можно легко игнорировать, когда нет видимого воздействия. Периодические ошибки особенно трудно обнаружить в оптимальных условиях, но когда ошибки интерпретируются неверно, это еще больше усложняет задачу.

Перерегулирование, возможно, является наименее очевидной формой системного шума, но, как здесь объясняется, его влияние может быть значительным. Флэш-память - надежная технология, но она зависит от тщательно разработанного интерфейса. Чрезмерный шум на последовательном интерфейсе может распространиться на схему накачки заряда, нарушая работу схемы программирования и стирания. Это приводит к непредвиденным характеристикам, которые можно легко интерпретировать как неисправность самого устройства, проявляющуюся как неисправность ячеек памяти, а также к несогласованным или ненадежным операциям программирования и стирания.

В этом случае замена флэш-памяти и предположение, что проблема была решена, могли привести к выходу на рынок продуктов, которые в какой-то момент могли выйти из строя. Вместо этого разработчик смог значительно улучшить программирование и стереть согласованность, повысив эффективную выносливость с неприемлемых ~ 20 тысяч циклов до обнаружения ошибок до более 2,5 миллионов циклов без ошибок и без необходимости в дополнительных процедурах обнаружения и исправления ошибок.

Уровень конфигурируемости, предлагаемый современными микроконтроллерами, можно рассматривать как помощь и препятствие; тот факт, что ток возбуждения настраивается, возможно, был причиной перерегулирования в этом примере. Однако возможность уменьшить силу привода также была эффективным средством решения проблемы.