Drahtlos mit FRAM-basierten Mikrocontrollern
Die Anzahl eingebetteter Drahtlos-Applikationen wächst kontinuierlich, jedoch haben die Produkte ihr volles Potenzial keineswegs entfaltet: Grundlegende Designprobleme existieren nach wie vor. Dazu gehören Restriktionen der Batterie und Stromversorgungslösungen, variierende Speicheranforderungen und Zuverlässigkeit. Verbesserungen bietet der Einsatz von Ferroelectric Random Access Memory.
Die nicht flüchtigen Ferroelectric Random Access Memory oder FRAM-Speicher ähneln im Verhalten Dynamic Random Access Memories (DRAM): Sie ermöglichen beliebige Schreib- und Lesezugriffe auf einzelne Bits. Im Gegensatz zu Electrically Erasable Programmable Read-Only Memories (EEPROM) und Flash-Speichern setzen FRAM-Zugriffe keine spezielle Abfolge voraus und erfordern keine höhere Programmierspannung. Überdies erübrigen sich Design-Kompromisse, die das Speicherkonzept aus Flash und RAM traditionell erfordert. Insbesondere die Verwendung von FRAM als On-Chip-Speicher für MCUs ermöglicht es, die spezifischen Merkmale dieses Speichers in vollem Umfang auszuschöpfen, nämlich die Eignung als universeller Speicher, der stromsparende Zugriff, die Flexibilität sowie hohe Haltbarkeit und Zuverlässigkeit.
Flexible Speicherkonfiguration für Wireless-Protokolle
Ein Einsatzfeld von FRAM zeigt sich in der drahtlosen Kommunikationstechnik. Diese bietet Designern großen Freiraum bei der Festlegung der Funk-Parameter wie Frequenz, Bandbreite und Ausgangsleistung und der Netzwerk-Spezifikationen, z.B. Topologie, Arbeitsweise, Paketdefinition und weitere protokollspezifische Anforderungen; Es gilt, die einzelnen Designs auf die spezifischen Anforderungen der jeweiligen drahtlosen Applikationen zuzuschneiden. Eine Variable bildet u.a. der Speicher für Wireless-Software. Doch selbst bei standardisierten Protokollen und Normen wie etwa Wi-Fi, Bluetooth oder Near-Field Communication (NFC) können die tatsächlichen Implementierungen ein und desselben Protokolls große Unterschiede aufweisen – diktiert von den gewünschten Funktionen oder der im Einzelfall gewählten MCU-Plattform. So bestimmt bei Speicherkonfiguration aus Flash und RAM die Größe des Programms und Datenspeichers, welcher Mikrocontroller aus dem begrenzten Pool in Frage kommender Bausteine und Speicherkonfigurationen zum Einsatz kommt. Dieser Ansatz aber verhindert entweder größere Änderungen am Code, die nicht mehr in den vorhandenen Speicher passen würden oder erzwingt die Verwendung eines Bausteins mit mehr Speicher, um z.B. für Firmware-Upgrades gerüstet zu sein. Beim Einsatz eines FRAM statt Flash als auch RAM erübrigen sich hingegen diese Restriktionen aufgrund seiner Nichtflüchtigkeit und seiner kurzen Zugriffszeiten. Die Flexibilität dieses Speichers erlaubt Entwicklern, den Speicher-Footprint genau auf die Anforderungen der jeweiligen Anwendung abzustimmen. Kommen neue Features hinzu oder ändert sich die Größe der Datenpuffer, müssen Designer lediglich die Aufteilung des Speichers modifizieren. Zusätzlich bietet sich an, nur eine MCU-Plattform und einen Speicher-Footprint für verschiedene Arten von Drahtlos-Protokollen zu nutzen.
Potenzial für umfangreiche Updates
Bild 2 zeigt den FRAM-Speicher des MSP430FR5739. Er eignet sich für mehrere Wireless-Protokolle mit variierenden Speicherkonfigurationen. Das vom Gewohnten abweichende Verhältnis zwischen Daten und Codespeicher im Fall des Wi-Fi-Stacks mit dem SimpleLink Wi-Fi CC3000 verdeutlicht zusätzlich Vorteile der FRAM-Speicher: Es bietet sich an, Großteile des Protokollstapels bei komplexeren Wireless-Protokollen an den Radio Core auszulagernt, sodass nur die oberste API-Schicht dem Host-Mikrocontroller überlassen bleibt. Dies reduziert den Umfang des MCU-Codes, lässt aber den Datenumfang unverändert, da Datenpuffer und Datenverarbeitung nach wie vor dem Mikrocontroller überlassen bleibt. Beim SimpleLink Wi-Fi CC3000 ist der Speicherbedarf des Wi-Fi-Stacks eher bescheiden und benötigt rund 3KB Datenspeicher und 6KB Codespeicher. In einer – zu Evaluierungszwecken dienenden – Wi-Fi-Applikation nutzt die Anwendung den verfügbaren Datenspeicher aus und weist insgesamt 5,7KB den Wi-Fi-Puffern und Applikationsdaten zu. Dies lässt weitere Funktionsverbesserungen und einen höheren Wi-Fi-Datendurchsatz zu. Ohne die Flexibilität des FRAM würde der RAM-Bedarf von 5,7KB die Verwendung eines Bausteins mit mindestens 6KB RAM erfordern. Wegen des typischen Flash-RAM-Verhältnisses von 8:1 müssten Entwickler einen Mikrocontroller mit einem Flash-Speicher von mindestens 48KB einsetzen, wovon der größte Teil ungenutzt bliebe. Im Gegensatz ist ein Baustein mit 16KB FRAM ausreichend für Programme und Daten. Der Einsatz eines einzigen Speichertyps gibt FRAM-basierten Applikationen die Möglichkeit, auf Basis einer einheitlichen MCU und Hardwareplattform unterschiedliche Funktionalitäten zu unterstützen und sich problemlos anzupassen: Firmware-Updates müssen sich nicht mehr auf Bugfixes und geringfügige Feature-Verbesserungen beschränken. Erfolgt das Design FRAM-orientiert, können Entwickler ihre Applikationen zukunftssicher machen und völlig neue Funktionen oder tiefgreifende Modifikationen der Funktionalität innerhalb des vorhandenen Speicher-Footprints vornehmen. Nicht zuletzt kann eine einheitliche Hardware-Plattform verschiedene Modelle einer Applikation mit möglicherweise stark variierenden Funktionalitäten und Features unterstützen. Im Einsatz in modularen Wireless-Adaptern, die sich auf ein und derselben FRAM-MCU-Plattform schnell austauschen lassen, ermöglichen FRAM schnelle Prototyp-Zyklen und ein zügiges Deployment.
