Bagaimana tingkat kebisingan sistem di antarmuka digital dapat menyebabkan kesalahan palsu dalam memori Flash serial

Dalam mengejar kinerja yang lebih tinggi tanpa henti pada tingkat sistem, Produsen Perangkat Terpadu (IDM) telah berpengalaman dalam mengembangkan antarmuka digital yang mampu beroperasi pada kecepatan tinggi di lingkungan yang menantang secara elektrik. Antarmuka standar, seperti SPI dan I2C, menyediakan cara yang relatif sederhana untuk menghubungkan perangkat dari pemasok yang berbeda dengan cara yang andal dan efektif. Hal yang sama berlaku untuk jenis antarmuka lainnya.

Domain digital dapat dianggap sebagai tempat berlindung yang aman bagi pengembang yang ingin membangun sistem kompleks dengan cepat menggunakan teknologi 'standar'. Memang, industri tertanam sebagian besar bergantung pada antarmuka berbasis standar yang 'berfungsi', karena menyediakan kerangka kerja untuk inovasi. Ketika mereka tidak 'hanya bekerja', itu dapat menyebabkan kebingungan, terutama jika penyebab kesalahan disalahartikan. Kebingungan apa pun dapat dimengerti, mengingat antarmuka dikembangkan menjadi kuat dan andal ketika diterapkan sesuai dengan spesifikasi. Fakta bahwa antarmuka fisik yang mendasarinya dipasang di silikon juga akan memberikan kepastian.

Kebisingan sistem, dalam segala bentuknya

Setiap distorsi pada sinyal dapat diinterpretasikan sebagai noise dan mungkin masuk akal untuk mengasumsikan bahwa noise paling sering terlihat dalam lingkungan komunikasi; sinyal yang diterima bukan sinyal yang dikirim. Korelasi langsung ini relatif mudah ditemukan, tetapi dalam beberapa kasus sebab dan akibat tidak begitu mudah diidentifikasi. Tantangannya diperparah ketika kesalahan menjadi terputus-putus.

Mikrokontroler saat ini dirancang untuk memberikan operasi yang andal dengan konfigurasi minimal. Dalam kasus antarmuka serial ini mungkin termasuk default ke arus drive tinggi pada pin I/O untuk memerangi pengaruh trek PCB panjang atau beban kapasitif tinggi. Dalam beberapa kasus, hal ini dapat mengakibatkan antarmuka yang berlebihan yang, pada gilirannya, dapat menyebabkan efek turunan yang ditafsirkan sebagai kesalahan atau kesalahan.

Sebagai contoh, perangkat memori Flash serial menawarkan sejumlah fitur canggih yang memastikan pengoperasian yang andal dan memungkinkan perangkat untuk diinterogasi. Ini dapat mencakup filter kebisingan, pemrograman adaptif tingkat lanjut, dan algoritma penghapusan yang mengelola margin sel. Beberapa pabrikan juga menyertakan ECC dalam elemen penyimpanan yang menyimpan meta data tambahan dengan setiap operasi penulisan untuk memungkinkan kesalahan bit tunggal atau multi-bit dideteksi dan dikoreksi, tetapi perbaikan ECC ini tidak akan membantu ketika derau merusak transaksi pesan dasar pada bus antarmuka komunikasi.

Noise pada antarmuka SPI dapat disalahartikan sebagai pulsa clock tambahan. Karena SPI adalah antarmuka yang digerakkan oleh jam, ini akan berdampak seperti perintah diabaikan, data disalahartikan, perintah yang salah digunakan, dll. Namun, kebisingan juga membawa energi dan dalam beberapa kasus, energi ini sendiri dapat menyebabkan kesalahan dalam pengoperasian perangkat. .

Isi pompa dan overshoot

Dalam kebanyakan kasus, beberapa overshoot atau undershoot dalam sinyal dapat ditoleransi oleh antarmuka digital. Namun, tidak boleh dilupakan bahwa energi di bawah kurva masih ada dan di beberapa sirkuit hal ini dapat mengganggu.

Contoh kasusnya adalah sirkuit pompa muatan dalam memori Flash serial. Jika sinyal bus SPI mengandung noise yang signifikan, ada kemungkinan energi dalam sinyal tersebut dapat menyebar ke pompa pengisian dan mengganggu operasinya.

Pompa pengisian dalam memori Flash adalah fungsi penting, karena menyediakan daya yang dibutuhkan untuk mengubah bias sel memori dan, secara efektif, menyimpan logika 1 atau 0. Proses tulis/hapus adalah waktu yang penting dalam pengoperasian Flash memori, gangguan apa pun pada pompa pengisian selama waktu ini dapat menyebabkan kesalahan penulisan atau penghapusan dan, meskipun kesalahan ini dapat dideteksi, ada kemungkinan kesalahan tersebut tidak akan terlihat.

Kesalahan semacam ini dapat dengan mudah diartikan sebagai kesalahan pada perangkat memori Flash. Fakta bahwa memori Flash memiliki jumlah siklus baca dan tulis terbatas yang dijamin oleh pabrikan dipahami dengan baik oleh desainer tertanam, tetapi apa yang mungkin tidak begitu dipahami dengan baik adalah pentingnya menyediakan antarmuka yang bersih tanpa terlalu banyak overshoot atau undershoot.

Sebagai contoh, perhatikan gambar pada Gambar 1. Ini menunjukkan margin sel yang sehat untuk enam perangkat Flash. Dua pola berbeda muncul di antara sel yang diprogram dengan data yang mewakili logika 1 (2V hingga 5V) dan 0 (>6v). Sebagai perbandingan, gambar pada Gambar 2 menunjukkan margin sel memori untuk tiga perangkat Flash yang mengalami kerusakan data yang disebabkan oleh overshoot dan undershoot pada jalur kontrol.

Gambar 1:Gambar ini menunjukkan data pemisahan margin sel yang baik untuk memori Flash yang telah diprogram dan dihapus. (Sumber:Adesto)

Gambar 2:Gambar ini menunjukkan data pemisahan margin sel yang buruk untuk memori Flash di mana terdapat noise yang signifikan pada jalur SPI. (Sumber:Adesto)

Beberapa faktor dapat berkontribusi pada tingkat kebisingan, seperti frekuensi operasi, amplitudo sinyal, tingkat drive MCU, dan energi yang terkandung dalam lonjakan kebisingan. Desain PCB dan cross talk antar sinyal juga dapat menjadi faktor penyebabnya.

Data pada Gambar 2 menunjukkan efek overshoot dan undershoot yang berlebihan pada antarmuka serial. Gambar 3 di bawah ini menunjukkan representasi dari overshoot ini dalam aplikasi nyata.

klik untuk gambar lebih besar

Gambar 3:Gambar jejak ini dengan jelas menunjukkan overshot dan undershoot yang ada pada jalur SPI menghasilkan tegangan puncak-ke-puncak 5,65V, yang melebihi nilai maksimum absolut yang didokumentasikan dalam spesifikasi memori Flash . (Sumber:Adesto)

Hasil dari kebisingan ini adalah operasi perangkat yang salah, yang muncul sebagai kesalahan dalam nilai yang disimpan dalam memori flash serial. Awalnya, dampak sebenarnya dari kesalahan tidak terjawab, karena polling register STATUS yang lebih jarang melaporkan kesalahan yang lebih sedikit, membuat perancang membuat asumsi yang salah tentang akar penyebab kegagalan.

Mengidentifikasi akar penyebab sebenarnya

Meskipun kesalahan ini muncul sebagai kegagalan memori, akar masalahnya bukan pada perangkat Flash. Ini ditemukan oleh para insinyur Adesto dengan menyelidiki sinyal SPI dan mengidentifikasi kebisingan sistem yang ada. Meskipun noise tersebut sebagian dapat dikaitkan dengan ketidakcocokan impedansi yang ada pada jalur PCB antara MCU dan memori Flash, itu bukan cerita lengkapnya.

Sumber kebisingan sebenarnya adalah antarmuka MCU, yang secara default berada pada level drive yang tinggi saat power-up. Drive yang berlebihan sudah cukup untuk menyebabkan overshoot dan undershoot pada jalur SPI, yang dalam beberapa kasus dapat disalahartikan sebagai transisi sinyal, yang menyebabkan kesalahan baca atau tulis. Namun, dalam kasus ini ditemukan bahwa overshoot menahan energi yang cukup untuk mengganggu pompa pengisian Flash, yang pada gilirannya menyebabkan kesalahan.

Dalam desain pelanggan, mikrokontroler yang digunakan menyediakan arus penggerak yang dapat dikonfigurasi untuk I/O-nya, yang secara default TINGGI saat start-up. Karena kode aplikasi tidak mengubah level ini selama inisialisasi, kode tersebut tetap tinggi dalam operasi normal.

Dampaknya mungkin tidak terlihat untuk perangkat lain di bus SPI, karena antarmuka digital biasanya dirancang agar kuat. Sifat sensitif dari memori Flash, kebutuhan untuk beroperasi pada frekuensi yang jauh lebih tinggi, dan khususnya, pengoperasian pompa pengisian, membuat memori rentan terhadap overshoot/undershoot. Hal ini menyebabkan operasi yang salah yang awalnya disalahartikan sebagai kesalahan pada perangkat memori Flash.

Memperbaiki kesalahan

Mengurangi arus drive melalui firmware mengurangi overshoot dan undershoot menjadi nol secara efektif (Gambar 4), dan pada gilirannya menghasilkan pengoperasian memori Flash yang bebas kesalahan.

klik untuk gambar lebih besar

Gambar 4:Tanpa overshoot, pompa pengisian memori Flash serial dapat beroperasi dengan benar dan menyediakan fungsionalitas yang andal. (Sumber:Adesto)

Sifat kesalahan menunjukkan bahwa perangkat Flash melakukan segala upaya untuk mengkompensasi efek kesalahan, yang merupakan gangguan sistem yang berlebihan pada antarmuka SPI.

Mungkin poin terpenting di sini adalah bahwa penyebabnya sebenarnya adalah fitur desain dari MCU yang digunakan, yang secara default ke mode operasi yang, dalam kebanyakan situasi, akan sepenuhnya dapat diterima. Kombinasi output drive yang tinggi dan induktansi PCB yang tidak sempurna menciptakan kondisi yang mengakibatkan kegagalan intermiten. Mengurangi output drive pada MCU, melalui perubahan firmware sederhana, memecahkan masalah.

Ini menyoroti pelajaran sebenarnya di sini:Bahwa apa yang mungkin tampak sebagai kegagalan komponen asli sebenarnya bisa menjadi kelalaian dalam desain. Mengganti perangkat memori akan menjadi respons alami terhadap apa yang awalnya diyakini sebagai kesalahan, tetapi melalui hubungan kerja yang kuat antara pelanggan dan pemasok, serta tim rekayasa perangkat keras dan perangkat lunak, penyebab sebenarnya ditemukan dan solusi yang tepat diterapkan. . Hasilnya adalah desain yang jauh lebih baik, kinerja sistem yang lebih tinggi, dan keandalan yang lebih baik.

Kesimpulan

Kebisingan sistem dapat dengan mudah dihilangkan jika tidak ada dampak yang nyata. Kesalahan yang terputus-putus sangat sulit untuk ditemukan dalam kondisi optimal, tetapi ketika kesalahan disalahartikan, itu membuat tantangan menjadi lebih sulit.

Overshoot mungkin merupakan bentuk kebisingan sistem yang paling tidak terlihat, tetapi seperti yang dijelaskan di sini, dampaknya bisa signifikan. Memori flash adalah teknologi yang andal tetapi bergantung pada antarmuka yang dirancang dengan cermat. Kebisingan yang berlebihan pada antarmuka serial berpotensi menyebar ke sirkuit pompa muatan, mengurangi pengoperasian pemrograman dan menghapus sirkuit. Hal ini menghasilkan karakteristik tak terduga yang dapat dengan mudah ditafsirkan sebagai kesalahan pada perangkat itu sendiri yang muncul sebagai kesalahan sel memori, serta operasi pemrograman dan penghapusan yang tidak konsisten atau tidak dapat diandalkan.

Dalam hal ini, mengganti memori Flash dan menganggap masalah telah terpecahkan dapat mengakibatkan produk yang akan dipasarkan kemungkinan akan gagal di beberapa titik. Sebaliknya, perancang mampu meningkatkan pemrograman dan menghapus konsistensi dengan faktor yang signifikan, dengan ketahanan yang efektif melompat dari ~20K siklus yang tidak dapat diterima sebelum kesalahan terdeteksi hingga lebih dari 2,5 juta siklus tanpa kesalahan dan tidak ada persyaratan untuk deteksi kesalahan tambahan dan rutinitas koreksi.

Tingkat kemampuan konfigurasi yang ditawarkan oleh mikrokontroler modern dapat dilihat sebagai bantuan dan hambatan; fakta bahwa arus drive dapat dikonfigurasi mungkin merupakan penyebab overshoot dalam contoh ini. Namun, mampu mengurangi kekuatan drive juga efektif dalam memecahkan masalah.