reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© ermess dreamstime.com Technologie | 29 października 2012

Odkrywanie nowej generacji urządzeń bezprzewodowych

Pomimo stałego, imponującego wzrostu, rynek urządzeń z wbudowanymi modułami bezprzewodowymi wciąż nie jest w stanie zrealizować pełnego potencjału ze względu na nierozwiązane podstawowe problemy konstrukcyjne.

Problemy, z jakimi zmagają się projektanci to: ograniczenia akumulatorów i rozwiązań zasilania, zróżnicowane wymogi pamięci, kwestie bezpieczeństwa sieci bezprzewodowych, a także ich niezawodność. Niedawne, rewolucyjne zmiany w dziedzinie technologii pamięci, w szczególności wprowadzenie na rynek nieulotnej ferroelektrycznej pamięci RAM (FRAM), udostępniły projektantom doskonałe rozwiązania, dzięki którym mogą oni zmierzyć się z dotychczasowymi ograniczeniami. W niniejszym artykule zostaną przeanalizowane wspomniane problemy konstrukcyjne oraz unikatowe funkcje, w jakie wyposażono pamięć FRAM, dzięki czemu staje się ona alternatywą dla zastosowań z wbudowanym modułem bezprzewodowym. Pamięć FRAM działa na podobnej zasadzie, jak DRAM umożliwiając swobodny dostęp do poszczególnych bitów podczas operacji odczytu i zapisu. W odróżnieniu od technologii EEPROM oraz Flash, uzyskanie dostępu do pamięci FRAM nie wymaga korzystania z odpowiedniej sekwencji rozkazów ani wyższego napięcia programowania. FRAM jest pamięcią nieulotną, więc umożliwia zachowanie zawartości nawet po odłączeniu zasilania. Dodatkowo, większa elastyczność umożliwia wyeliminowanie ograniczeń konstrukcyjnych, jakie ze swej natury powoduje tradycyjna pamięć. Chociaż niezależna pamięć FRAM była już wcześniej dostępna na rynku, jej wykorzystanie było ograniczone do zastosowań ogólnych w urządzeniach pamięci masowych. Jednak wprowadzone niedawno udoskonalenie technologii pamięci FRAM, które umożliwiło jej integrację w jednym układzie z mikrokontrolerem, przyczyniło się do popularyzacji tej technologii następnej generacji w szerszej gamie zastosowań. Połączenie pamięci FRAM z mikrokontrolerem umożliwiło pełne wykorzystanie unikatowych funkcji pamięci FRAM: uniwersalności, dostępu przy niskim poborze mocy, elastyczności, wysokiej wytrzymałości i niezawodności. Funkcje te można z powodzeniem przekuć na sukces w każdym wbudowanym systemie; co więcej, to właśnie brak tych podstawowych funkcji przez cały czas blokował rozwój urządzeń z wbudowanymi modułami bezprzewodowymi. Elastyczne opcje konfiguracji pamięci umożliwiają przestrzeganie rygorystycznych wymogów określonych dla protokołów komunikacji bezprzewodowej, co pozwala na obsługę różnych stosów protokołów modułów bezprzewodowych bez zwiększenia zużycia pamięci. Prawdopodobnie najbardziej interesującą i wyjątkową cechą komunikacji bezprzewodowej jest elastyczność parametrów radiowych: częstotliwości, pasma, mocy wyjściowej czy specyfikacji sieci (topologia i działanie, definicja pakietu oraz różne inne wymagania konkretnego protokołu). Liczba kombinacji tych parametrów wynika z konieczności dostosowania projektów do konkretnych potrzeb różnorodnych zastosowań komunikacji bezprzewodowej, co w szczególności przekłada się na zróżnicowanie wymagań pamięci dla oprogramowania urządzeń bezprzewodowych. Nawet w przypadku bardziej ujednoliconych protokołów i standardów takich, jak Wi-Fi, Bluetooth czy komunikacja bliskiego zasięgu (NFC), wdrożenie tego samego protokołu może wiązać się z różnymi wymaganiami w zakresie pamięci, w zależności od funkcji lub wybranej platformy mikrokontrolerów. Gdy wykorzystywany jest tradycyjny moduł pamięci Flash-RAM, pojemność pamięci do przechowywania programów i danych zazwyczaj decyduje o wyborze mikrokontrolera. Takie podejście uniemożliwia wprowadzenie istotnych zmian kodu ze względu na prawdopodobieństwo przekroczenia pojemności pamięci i wymusza używanie w projektowanym systemie większego układu, aby zapewnić miejsce na przyszłe aktualizacje oprogramowania lub na wypadek zmiany wymogów w zakresie przechowywania danych. Różnorodność zastosowań oznacza większy nakład pracy przy projektowaniu oraz liczbę ewentualnych problemów do rozwiązania, jak również konieczność poszerzenia zasobów. Co ważniejsze, to przestarzałe, restrykcyjne podejście w znacznym stopniu ogranicza innowacyjność, która powinna leżeć u podstaw procesu projektowania. Rysunek 1: Wybór konfiguracji pamięci w przypadku korzystania z pamięci uniwersalnej Dzięki temu, że pamięć FRAM jest nieulotna i można szybko uzyskać do niej dostęp, może służyć zarówno jako pamięć Flash (przechowywanie kodu lub nieulotnych danych), jak i RAM (dane/zmienne/itp.), co pozwala skutecznie wyeliminować ograniczenia podczas projektowania systemów. Elastyczność tej uniwersalnej pamięci pozwala projektantom dostosować pojemność pamięci do wymogów konkretnych zastosowań. Dodanie nowych funkcji lub zmiana bufora danych oznacza teraz przesunięcie umownej granicy pamięci zamiast wyszukiwania w katalogu nowego, większego modułu. Idąc tym tropem, dzięki wspomnianej elastyczności projektanci mogą korzystać z tej samej platformy mikrokontrolerów i pojemności pamięci na potrzeby obsługi różnych rodzajów protokołów komunikacji bezprzewodowej. Jak widać na rysunku 2, pamięć FRAM o stosunkowo niewielkiej pojemności 16 kB w mikrokontrolerze MSP430FR5739 zapewnia obsługę kilku protokołów komunikacji bezprzewodowej wymagających znacząco różnych konfiguracji pamięci. Rysunek 2: Wymagania dotyczące pamięci w różnych zastosowaniach modelu MSP430FR5739 Różny od tradycyjnego współczynnik danych do kodu w pamięci dla stosu protokołów Wi-Fi w przypadku zestawu SimpleLink Wi-Fi CC3000 ilustruje przewagę kosztową pamięci FRAM. W przypadku bardziej złożonych protokołów komunikacji bezprzewodowej przyjmuje się metodę polegającą na obsłudze większej części stosu protokołów sieciowych przez układy łączności radiowej, pozostawiając obsługę górnej warstwy interfejsu API dla mikrokontrolera hosta. Dzięki temu możliwe jest ograniczenie wielkości kodu mikrokontrolera, ale nie prowadzi to do zmiany rozmiaru danych, ponieważ buforowanie danych oraz ich przetwarzanie są nadal realizowane na poziomie mikrokontrolera. Uzyskana w ten sposób konfiguracja pamięci danych o średniej długości kodu nie jest odpowiednia dla mikrokontrolerów o tradycyjnym współczynniku pamięci Flash do RAM. Na przykładzie zestawu SimpleLink Wi-Fi CC3000 widzimy, że do wdrożenia stosu Wi-Fi potrzeba stosunkowo niewielkiej minimalnej pojemności pamięci rzędu 3 kB (pamięć danych) i 6 kB (pamięć kodu). W przykładowym systemie Wi-Fi wykorzystywanym w celach ewaluacyjnych, dostępna pamięć danych jest wykorzystywana w celu alokacji 5,7 kB pamięci dla buforów Wi-Fi i danych aplikacji, dzięki czemu możliwe jest dodatkowe poszerzenie zakresu dostępnych funkcji oraz zwiększenie przepustowości przesyłania danych za pośrednictwem sieci Wi-Fi. Bez elastyczności, jaką zapewnia pamięć FRAM, wymaganie pamięci RAM o pojemności 5,7 kB oznacza konieczność zastosowania urządzenia posiadającego pamięć RAM o pojemności przynajmniej 6 kB. Współczynnik pamięci Flash do RAM o wartości 8:1 oznacza, że projektanci muszą znaleźć urządzenia z pamięcią Flash o pojemności 48 kB, której większa część pozostanie niewykorzystana. Z drugiej strony urządzenie wyposażone w pamięć FRAM o pojemności 16 kB jest w stanie sprostać wymogom pojemności w zakresie programów i kodu. Przeprowadzenie tej analizy okazało się pomocne w wybraniu modelu MSP430FR5739, jako platformy mikroprocesora do zestawu projektowego SimpleLink Wi-Fi CC3000. Uniwersalna pamięć stwarza warunki do innowacji. Wymóg dotyczący korzystania z pamięci jednowymiarowej pozwala urządzeniom wykorzystującym pamięć FRAM zapewnić obsługę różnych funkcji lub funkcjonalności na poziomie tego samego mikrokontrolera i platformy sprzętowej. Dzięki temu, aktualizacje oprogramowania układowego mogą zawierać więcej niż tylko poprawki błędów i niewielkie ulepszenia w zakresie funkcji. Opracowując systemy z myślą o wykorzystaniu pamięci FRAM, projektanci mogą zaplanować obsługę całkowicie nowych funkcji w przyszłości albo istotną modyfikację funkcjonalności bez konieczności zwiększania pojemności pamięci. Ponadto, pojedyncza platforma sprzętowa może zapewnić obsługę rozmaitych modeli zastosowań znacznie różniących się pod kątem funkcjonalności i funkcji. Dodatkową zaletą pamięci FRAM jest możliwość korzystania z modułowych adapterów bezprzewodowych, które można szybko wymieniać na tej samej platformie wyposażonej w mikrokontroler z pamięcią FRAM. Dzięki wykorzystaniu tej samej platformy sprzętowej i tego samego mikrokontrolera to podejście modularne umożliwia szybsze opracowywanie prototypów i błyskawiczne wdrażanie bardziej synergistycznych rozwiązań. Pozwala to projektantom systemów komunikacji bezprzewodowej zaoszczędzić czas, ponieważ zamiast na opracowywaniu sprzętu mogą poświęcić więcej energii na dopracowanie aplikacji. Także producenci mogą korzystać z tych możliwości. Mniejsza liczba wariantów oznacza łatwiejsze zarządzanie zapasami magazynowymi, niższy koszt produkcji i posiadania, a ostatecznie, krótszy czas wprowadzania na rynek produktów z modyfikacjami w zakresie pamięci i uaktualnieniami. Uniwersalna pamięć pozwala na płynne przejście z programu do danych, jednak może to być także przyczyną problemów. Pamięć danych i programowa działają wymiennie, dlatego należy zadbać o to, aby dostęp do dedykowanych obszarów pamięci był chroniony i dokumentowany. Kontrola dostępu, jak również granic i zakresu to doskonale znane praktyki stosowane podczas projektowania oprogramowania układowego. Proces ten jest raczej nieskomplikowany w przypadku pojedynczego, statycznego oprogramowania układowego. Jednak, śledzenie ww. reguł i ustawień może okazać się bardziej skomplikowane, gdy wymogi pamięci zmieniają się w dynamiczny sposób podczas zmian wersji oprogramowania układowego. Sytuację dodatkowo komplikują aktualizacje pobierane drogą radiową, przyczyniając się do istotnej zmiany wielu aspektów systemów. Na szczęście mikrokontrolery z pamięcią FRAM są zwykle wyposażone w funkcje ochrony pamięci i kontroli dostępu, umożliwiając organizowanie oraz egzekwowanie reguł i ustawień. Ważne jest, aby programiści tworzący oprogramowanie układowe w pełni korzystali z tych funkcji, co pozwoli uzyskać wydajne i niezawodne systemy. Niski pobór mocy i szybki zapis danych pozwalają uzyskać nowy poziom elastyczności w systemach rejestrowania danych. W systemie bezprzewodowym zoptymalizowanym pod kątem niskiego poboru mocy struktura i metoda rejestrowania danych mogą istotnie wpłynąć na energooszczędność systemu. Nie ma wątpliwości co do tego, że działanie modułu radiowego zazwyczaj wywiera dominujący wpływ na wydatek energetyczny systemu komunikacji bezprzewodowej. Zdrowy rozsądek podpowiada, że ograniczenie zużycia mocy można uzyskać minimalizując cykl pracy modułu radiowego lub czas pracy modułu w trybie aktywnym. Na wydatek związany z każdą transmisją radiową składają się często pomijane operacje wiążące się z wysokim poborem mocy. Obejmują one: włączenie układu łączności, zwiększenie poziomu zasilania, kalibrację oscylatora i generatora częstotliwości, a także przełączanie pomiędzy różnymi stanami modułu radiowego. Dlatego istotną kwestią jest także minimalizowanie częstotliwości transmisji danych — czyli rejestrowanie jak największej ilości danych przez zainicjowaniem kolejnej transmisji drogą radiową. Ograniczenie dla tak realizowanej optymalizacji poboru mocy stanowi pojemność pamięci dostępnej w mikrokontrolerze. W przypadku tradycyjnego modelu pamięci Flash-RAM wydawać by się mogło, że rozwiązaniem jest zwiększenie maksymalnej pojemności pamięci Flash dostępnej w mikrokontrolerze. Większa pojemność wiąże się jednak z wyższym poborem mocy podczas zapisu danych w pamięci Flash oraz wyjątkowo długim czasem zapisu danych. Z drugiej strony, zapis w pamięci RAM zajmuje znacznie mniej czasu, zużywane jest mniej energii, a w przypadku niektórych platform mikrokontrolerów pamięć ta ma większą pojemność. Niestety, wysoka cena pamięci RAM może przyczynić się do szybkiego podniesienia kosztu systemu. Ponadto, ulotna pamięć RAM nie sprawdza się dobrze w systemach, w których występują przerwy w zasilaniu, np. w układach typu „energy harvesting”. Podatność na utratę danych oznacza albo tolerowanie tego zjawiska albo zwiększenie częstotliwości transmisji danych, a więc także liczby operacji modułu radiowego. Jak więc widać, niski pobór mocy podczas zapisu danych, a także nieulotny charakter pamięci FRAM pozwala rozwiązać problemy, z którymi nie radzą sobie inne, tradycyjne technologie pamięci. Rysunek 3: Operacje zapisu w pamięci FRAM z dużą prędkością i przy niskim poborze mocy Co ważniejsze, wbudowana pamięć FRAM zwiększa zakres dostępnych możliwości w zakresie organizowania danych w pamięci. Procedury rejestracji danych mogą przebiegać w bardziej inteligentny sposób, dostosowując rozmiar bufora. Dynamiczna pamięć o niskim poborze mocy i wysokiej niezawodności usprawnia pracę sieci bezprzewodowych opartych na urządzeniach akumulatorowych bądź typu „energy harvesting”. Celem wdrożenia urządzeń bezprzewodowych jest zazwyczaj chęć wyeliminowania przewodów, zminimalizowania liczby elementów i ograniczenia kosztów instalacji. Niestety, kwestia braku dostępności, do rozwiązania której mają się przyczynić urządzenia bezprzewodowe, pozostaje problemem w związku z kosztami utrzymania. Cena akumulatora znacznie podnosi całkowity koszt urządzenia, jednak koszt jego utrzymania może stanowić nawet czterokrotność ceny akumulatora. Częściowo jest to związane z zawodnością systemów bezprzewodowych oraz zasilanych akumulatorami. Wiele problemów związanych z utrzymaniem systemów można rozwiązać, wydłużając czas pracy akumulatorów i zwiększając niezawodność danych. Niezawodność, jaką można uzyskać dzięki operacjom zapisu danych przy bardzo niewielkim poborze mocy gwarantuje bezpieczeństwo danych nawet w systemach, w których mają często miejsce nagłe zaniki zasilania. Dzięki operacjom zapisu danych przy bardzo niewielkim poborze mocy dane w pamięci FRAM są zapisywane nawet w wypadku awarii zasilania. Przyczynia się to do znacznego zwiększenia integralności przetwarzanych bądź zapisywanych danych. Duża prędkość zapisu wraz z niskim poborem mocy oznaczają niskie średnie natężenie prądu, a także do skrócenia czasu zapotrzebowania na prąd o takiej wielkości. Oba wymienione aspekty przyczyniają się do zredukowania wskaźnika zużycia energii, dzięki zminimalizowaniu całkowitej ilości energii zużywanej na realizację pojedynczej operacji rejestracji danych. Wydłuża to czas pracy akumulatora lub redukuje pojemność wymaganą na magazynowanie energii elektrycznej w systemie. Wartość szczytowa prądu to kolejny problematyczny aspekt w przypadku systemów typu „energy harvesting”, gdzie typ elementu służącego do magazynowania energii decyduje o ograniczeniu wartości szczytowej prądu. W odróżnieniu od zapisu w pamięci Flash, który wymaga układu charge pump i wysokiej wartości szczytowej prądu, zapis w pamięci FRAM przy niskim poborze mocy pozwala na ograniczenie zapotrzebowania na wysoką wartość szczytową do operacji łączności radiowej. Pozwala to dodatkowo zmniejszyć wysokie wymagania w zakresie zasilania systemów typu „energy harvesting”. Bezpieczeństwo komunikacji bezprzewodowej i ochrona własności intelektualnej prostsze dzięki pamięci FRAM. Komunikacja bezprzewodowa, z natury otwarta, jest narażona na ryzyko ataków z zewnątrz. Zapewnienie wysokiego poziomu bezpieczeństwa w systemach komunikacji bezprzewodowej to kwestia kluczowa, gwarantująca bezpieczeństwo danych przesyłanych drogą radiową, a także własności intelektualnej przechowywanej w węzłach bezprzewodowych. Wytrzymała pamięć FRAM udostępnia sporą pojemność na potrzeby przechowywania zaszyfrowanych danych i kluczy zabezpieczeń oraz generowania kluczy na bieżąco. Pamięć tę można także wykorzystać jako bufor przetwarzania w przypadku algorytmów szyfrowania bądź zabezpieczeń. Przykładowo aplikacje do obsługi transakcji NFC lub dokonywanych kartami kredytowymi wymagają generowania kluczy i zapisywania danych w pamięci nawet 100 razy dziennie. W typowej pamięci Flash z 10 tys. cyklów zapisu/kasowania wykonanie 100 tys. operacji zapisu/kasowania wymaga wykorzystania 10 bajtów pamięci na każdy bajt danych. Porównując, bajt pamięci FRAM wytrzymuje 100 miliardów razy więcej niż w przypadku bajta w pamięci Flash. W przypadku zastosowań wymagających wysokiej niezawodności pamięci w celu realizowania milionów operacji zapisu/kasowania, żadna inna wbudowana pamięć nieulotna dostępna obecnie na rynku nie jest w stanie dorównać wytrzymałości pamięci FRAM. Istnieje także możliwość wzmocnienia mechanizmu ochrony własności intelektualnej, wykorzystując dwoistą naturę pamięci FRAM. W szczególności dostawcy własności intelektualnej mogą w prosty sposób zablokować sąsiadujący segment w pamięci FRAM, co pozwala zabezpieczyć ich kod oraz pamięć danych wymaganą do przetwarzania operacji. Tym sposobem mogą oni wygodnie umieścić dane i zapewnić wysoki poziom ich ochrony, nawet w przypadku operacji typu taint tracking. Konkluzja Urządzenia bezprzewodowe zaprojektowane w celu dotarcia do szerokiej rzeszy klientów i ułatwienia naszego życia w każdym aspekcie miały swoje lepsze i gorsze chwile. Niezliczona liczba usprawnień wprowadzanych w mikrokontrolerach, układach łączności radiowej i wbudowanych systemach odegrała istotną rolę w stopniowym poszerzeniu zastosowań urządzeń bezprzewodowych. Być może ta rewolucyjna, uniwersalna pamięć utoruje drogę systemom bezprzewodowym i pozwoli im nabrać rozpędu, dzięki czemu staną się rzeczywiście uniwersalne. --- © Dung Dang, inżynier ds. aplikacji mikrokontrolerów MSP430, Texas Instruments
reklama
reklama
Załaduj więcej newsów
April 18 2019 05:19 V13.0.9-2