数字接口中的系统级噪声如何导致串行闪存的虚假报错

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在不懈追求更高系统性能的过程中，集成设备制造商（IDM）变得越来越精于开发数字接口，这些接口能够在充满挑战的电子环境中高速运行。诸如SPI和I2C之类的标准接口提供了一种相对简单的方式，以可靠且有效的方式将自不同供应商的设备连接起来。其它类型的接口亦如此。
对于想要使用“标准”技术快速构建复杂系统的开发人员来说，数字域无疑被视为避风港。的确，嵌入式行业在很大程度上依靠“正常工作”的标准接口，因为它们提供了可供创新的框架。但当它们不能“正常工作”时，就可能导致混乱，尤其是当错误原因被误判时。当根据规范应用时，接口开发一般都稳健且可靠，因此任何混乱都可理解。底层物理接口固定在芯片中的事实也保证了这一点。
各种形式的系统噪声
任何信号失真都可解释为为噪声，可以合理地假设噪声在通信环境中最明显，收到的信号已不是最初发送的信号。这种直接相关性相对容易发现，但在某些情况下，因果关系不太容易识别。当故障间歇性出现时，问题就更加复杂了。
如今的微控制器设计目标是以最少的配置提供可靠的操作。对串行接口来说，这可能包括预先设置I/O引脚上的高驱动电流，用以应对较长的PCB走线或高容性负载的影响。在某些情况下，这可能会导致接口过度驱动，进而导致并被误读为错误或故障的衍生结果。
例如，串行闪存器件提供了许多高级功能，以确保可靠的操作并允许设备被询问。这可能包括噪声滤波器、高级自适应编程以及管理存储单元裕度的擦除算法。一些制造商还将ECC设计在存储元素中，从而在每次写入操作时保存额外的元数据，以允许检测和纠正单个或多个位错误，但是当噪声破坏了通信接口总线上的基本消息传输时，采用ECC修复错误将于事无补。
SPI接口上的噪声可能会被误读为附加的时钟脉冲。由于SPI是时钟驱动接口，因此可能会产生一些不良影响，例如命令被忽略、数据被误读、错误命令被使用等。但是，噪声也携带能量，在某些情况下，这种能量本身会在设备在操作过程中引入错误。
电荷泵和过冲
大多数情况下，数字接口可以忽略信号中的某些过冲或欠冲。但是，不要忘记，曲线下的能量仍然存在，在某些电路中这可能具有破坏性。
一个典型的例子是串行闪存中的电荷泵电路。如果SPI总线信号包含很大的噪声，则该信号中的能量可能会传播到电荷泵并干扰其工作。
闪存中的电荷泵承担着一项关键任务，即提供用于改变存储单元偏置并有效存储逻辑1或逻辑0所需的电源。写/擦过程是闪存操作中的关键时刻，在此期间电荷泵的任何中断都可能导致写入/擦除错误，尽管这种错误可能被检测出来，但也有可能被隐藏。
上述类型的错误很容易被误解为闪存器件的故障。闪存应具有制造商保证的有限次数的读写周期，对这一点，嵌入式设计人员完全了解。但他们不太了解的是，一个没有太多过冲或欠冲的简洁接口有多么重要。
例如，图1中的曲线显示了六个闪存器件的正常单元裕度。用代表逻辑1（2V至5V）和逻辑0（> 6v）的数据进行编程的存储单元之间出现了两种不同的模式。相比之下，图2中的曲线显示了三个闪存器件的存储单元裕度数据，这些闪存器件因为控制线路上的过冲和欠冲而导致数据损坏。

图1：此图显示了编程和擦除两种情况下，良好的闪存存储单元裕度数据。（来源：Adesto）

图2：此图显示了当SPI线上存在明显噪声时，糟糕的闪存存储单元裕度数据。（来源：Adesto）
有多种因素会影响噪声水平，例如工作频率、信号幅度、MCU驱动级别以及噪声尖峰中包含的能量。PCB设计以及信号间的串扰也可能成为影响因素。
图2中的数据显示了串行接口上太多过冲和欠冲造成的影响，图3则展示了实际应用中过冲是怎样的。

图3：该迹线清楚表明了，SPI线上的过冲和欠冲，导致5.65V的峰-峰电压值，该值超过了闪存规范中提到的绝对最大值。（来源：Adesto）
这种噪声可能导致错误的设备操作，表现为串行闪存存储值的错误。最初，错误的真正影响被忽略了，因为以较低频率轮询STATUS寄存器，报告的错误也少，从而导致设计人员对故障的根本原因做出误判。

找出根源
尽管此故障表现为内存故障，但根本原因并不在闪存器件。Adesto工程师通过探测SPI信号并识别系统噪声表征发现了这一点。虽然噪声的产生部分归因于MCU与闪存之间的PCB迹线上存在阻抗不匹配，但这还不是全部。
噪声源实际上是MCU接口，其在电源启动时默认为高驱动电平。驱动过量足以在SPI线上引起过冲和欠冲，在某些情况下，这可能被误读为信号跳变，从而导致读取和写入错误。而且，在这种情况下，过冲保持了足够的能量来破坏Flash电荷泵，这反过来又导致了错误。
在客户设计中，微控制器为其I/O接口提供可配置的驱动电流，启动时默认为HIGH。由于应用程序代码在初始化期间不修改此电平，因此在正常操作中它仍保持高电平。
对于SPI总线上的其它器件，这种影响可能并不明显，因为数字接口通常设计地很稳健。 而闪存的敏感特性，以及在高频下运行的需求，特别是电荷泵的运行，使得该存储器极易受到过冲/欠冲的影响。这导致了错误的操作，一开始就将其错误地理解为闪存器件的故障。
纠错
降低流经固件的驱动电流，可将过冲和欠冲有效地减少到零（图4），进而实现闪存的无错运行。

图4：在没有明显过冲的情况下，串行闪存的电荷泵能够正确运行并提供可靠的功能。（来源：Adesto)
故障特性表明，闪存器件正在尽一切努力补偿错误造成的影响，即SPI接口上过多的系统噪声。
最重要的是，产生错误的原因实际上是MCU采用的一项设计功能，这项功能被默认设置为大多数情况下完全可接受的工作模式。高驱动输出和不完善的PCB电感的结合，为间歇性故障的产生创造了条件。一个简单的固件修改，减少MCU上的驱动输出，即可解决该问题。
真正的教训在于：看起来确定的组件故障可能实际上是设计的疏忽。最初的误判自然导致存储器件的更换，但是通过客户和供应商、以及硬件和软件工程团队之间的紧密合作，一定可以找到真正的原因，进而采用正确的解决方案。最终，设计得以完善，系统性能更高、可靠性更高。
结论
在没有明显影响的情况下，系统噪声很容易被忽略。在最佳条件下很难定位间歇性错误，但如果错误被误读，情况会更加糟糕。
过冲可能是最不明显的系统噪声形式，但是如上所述，其影响可能是巨大的。闪存是一种可靠的技术，但仍然取决于精心设计的接口。串行接口上的过多噪声有可能传播到电荷泵电路，可能损坏编程和擦除电路操作。由此产生的无法预料的特征很容易被误读为器件本身的故障，它表现为存储单元的故障，以及不一致或不可靠的编程和擦除操作。
在这种情况下，更换闪存以为问题已解决，可能会导致产品在某一时刻进入市场失败。反之，设计人员能够将编程和擦除一致性提高一个等级，使得有效容错能力从检测到错误之前不可接受的约20K个周期，跃升到超过2.5M个周期，并且没有错误，也不需要补充的错误检测和纠正程序。
现代微控制器提供的可配置水平是把双刃剑。在本文的示例中，驱动电流可配置也许是产生过冲的根本原因。不过，能够减小驱动强度对于解决该问题也有效。