并行接口鐵電存儲器FM1808及其應(yīng)用

摘要：RAMTRON公司生產(chǎn)的并行接口高性能鐵電存儲器FM1808是NV-SRAM的理想替代產(chǎn)品。文中介紹了FM1808的性能特點(diǎn)、引腳功能和工作原理，同時(shí)重點(diǎn)介紹了鐵電存儲器的應(yīng)用特點(diǎn)及與其它類型存儲器之間的應(yīng)用差別，給出了FM1808的設(shè)計(jì)應(yīng)用要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：FRAM；并行接口；鐵電存儲器；FM1808

１ 引言

目前，數(shù)據(jù)寫入頻率要求較高且要求掉電不丟失數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域，通常采用內(nèi)部具有鋰電池的不揮發(fā)ＮＶ－ＳＲＡＭ作為存儲器件，但該類器件昂貴的價(jià)格又制約了其在價(jià)格敏感領(lǐng)域的應(yīng)用，而如果使用與其兼容的鐵電存儲器ＦＲＡＭ，則可很好地解決成本問題，同時(shí)又可得到更高的數(shù)據(jù)存儲可靠性。鐵電存儲器是ＲＡＭＴＲＯＮ公司的專利產(chǎn)品，該產(chǎn)品的核心技術(shù)是鐵電晶體材料，這一特殊材料使得鐵電存儲器產(chǎn)品同時(shí)擁有隨機(jī)存儲器（ＲＡＭ）和非易失性存儲器（ＲＯＭ）產(chǎn)品的特性。 ＦＭ１８０８是基于鐵電存儲器原理制造的并行接口２５６ｋｂｉｔ鐵電存儲器，該存儲器相比其它類型的存儲器有三大特點(diǎn)：

●幾乎可以像ＲＡＭ那樣無限次寫入；

●可隨總線速度寫入而無須任何寫等待時(shí)間；

●超低功耗。

這種鐵電存儲器ＦＲＡＭ克服了以往ＥＥＰＲＯＭ和ＦＬＡＳＨ寫入時(shí)間長、擦寫次數(shù)少的缺點(diǎn)，其價(jià)格又比相同容量的不揮發(fā)鋰電ＮＶ－ＳＲＡＭ低很多，因而可廣泛應(yīng)用于在系統(tǒng)掉電后需要可靠保存程序及數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)也是價(jià)格昂貴的不揮發(fā)鋰電ＮＶ－ＳＲＡＭ的理想替代產(chǎn)品。

２　性能特點(diǎn)及引腳定義

ＦＭ１８０８的主要特性如下：

●采用先進(jìn)的鐵電技術(shù)制造；

●存儲容量為２５６ｋ ｂｉｔ（即３２ｋ ｂｙｔｅ）；

●讀寫壽命為１００億次；

●掉電數(shù)據(jù)可保存１０年；

●寫數(shù)據(jù)無延時(shí)；

●存取時(shí)間為７０ｎｓ；

●低功耗，工作電流為２５ｍＡ，待機(jī)電流僅為２０μＡ；

●采用單５Ｖ工作電壓；

●工作溫度范圍為－４０℃～＋８５℃；

●具有特別優(yōu)良的防潮濕、防電擊及抗震性能；

●與ＳＲＡＭ或并行Ｅ２ＰＲＯＭ管腳兼容。

ＦＭ１８０８采用２８腳ＰＤＩＰ和ＳＯＩＣ封裝形式。圖１ 給出了其ＳＯＩＣ封裝的引腳排列，各引腳功能說明見表１所列。

３　ＦＭ１８０８工作原理

ＦＭ１８０８具有１００億次的讀寫壽命，它比其它類型的存儲器讀寫壽命要高得多。盡管如此，其讀寫壽命也是有限的，如果對ＦＭ１８０８的工作原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)有所了解，則在使用時(shí)就可根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)合理使用存儲單元以延長其讀寫壽命。

３．１ 存儲器的結(jié)構(gòu)與讀寫壽命

ＦＲＡＭ可提供比其它非易失性存儲器高得多的寫持久性，然而在一定程度上，存儲器訪問次數(shù)的增加會造成ＦＲＡＭ操作出錯(cuò)概率的增加，即寫入存儲器的數(shù)據(jù)會丟失，而存儲器的內(nèi)容卻仍然可被正常讀出，當(dāng)然上述現(xiàn)象只有在存儲器讀寫次數(shù)達(dá)到１００億次之后才會出現(xiàn)，因此，為了延長存儲器的讀寫壽命，可以根據(jù)數(shù)據(jù)讀寫的頻繁程度，將數(shù)據(jù)保存在不同的區(qū)域中以進(jìn)行讀寫操作，例如對一些關(guān)鍵的數(shù)據(jù)如系統(tǒng)配置參數(shù)等，可以放在一個(gè)訪問次數(shù)較少的區(qū)域中，而將變化頻繁的數(shù)據(jù)或不需要長久保存的數(shù)據(jù)放在單獨(dú)的區(qū)域中，這樣既可保證系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲的安全性，又可保證非安全區(qū)存儲器的實(shí)際擦寫次數(shù)大于１００億次，從而延長鐵電存儲器的實(shí)際使用壽命。

鐵電存儲器的特殊性在于每一次的讀操作都會破壞原有的數(shù)據(jù)，因此必須在完成讀操作后再執(zhí)行一個(gè)回寫過程，這樣，每執(zhí)行一次讀操作，同樣會減少一次讀寫壽命，為了最大限度地增加存儲器的使用壽命，同時(shí)又不妨礙用戶使用的靈活性，ＦＭ１８０８通常使用獨(dú)特存儲器組織。

ＦＭ１８０８的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖２所示。圖中，ＦＭ１８０８的３２ｋｂｙｔｅ存儲器陣列被劃分為３２塊，每塊是１ｋ８，該１ｋ８的每個(gè)塊包括２５６行和４列，地址線Ａ０～Ａ７對行選擇譯碼，Ａ８～Ａ９對列選擇譯碼，由于每訪問一行都將減少一次壽命，因此，采用此種排列方案可很容易地在一個(gè)塊內(nèi)均勻進(jìn)行周期讀寫，例如２５６個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)無須兩次訪問同一行即可被順序訪問，而一個(gè)完整的１ｋ８被讀或?qū)憙H需４個(gè)周期，圖３給出了ＦＭ１８０８中一個(gè)１ｋ８存儲器塊的結(jié)構(gòu)圖（存儲器塊４）。

ＦＭ１８０８使用Ａ１０～Ａ１４高位地址線來選擇３２個(gè)不同的存儲器塊，由于存儲器每行不能超過塊的界限，因此讀寫操作頻率不同的數(shù)據(jù)應(yīng)放在不同的塊中。

３．２ 讀操作

ＦＭ１８０８的功能真值表如表２所示。

表2 FM1808功能真值表

讀操作一般在ＣＥ下降沿開始，這時(shí)地址位被鎖存，存儲器讀周期開始，一旦開始，應(yīng)使ＣＥ保持不變，一個(gè)完整的存儲器周期可在內(nèi)部完成，在訪問時(shí)間結(jié)束后，總線上的數(shù)據(jù)變?yōu)橛行А?/P>

當(dāng)?shù)刂繁绘i存后，地址值可在滿足保持時(shí)間參數(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)生改變，這一點(diǎn)不象ＳＲＡＭ，地址被鎖存后改變地址值不會影響存儲器的操作。

３．３ 寫操作

ＦＭ１８０８寫與讀通常發(fā)生在同一時(shí)間間隔，ＦＭ１８０８的寫操作由ＣＥ和ＷＥ控制，地址均在ＣＥ的下降沿鎖存。ＣＥ控制寫操作時(shí)，ＷＥ在開始寫周期之前置０，即當(dāng)ＣＥ有效時(shí)，ＷＥ應(yīng)先為低電平。ＦＲＡＭ沒有寫延時(shí)，讀與寫訪問時(shí)間是一致的，整個(gè)存儲器操作一般在一個(gè)總線周期出現(xiàn)。因此，任何操作都能在一個(gè)寫操作后立即進(jìn)行，而不象Ｅ２ＰＲＯＭ需要通過判斷來確定寫操作是否完成。

３．４ 充電操作

預(yù)充電操作是準(zhǔn)備一次新訪問存儲器的一個(gè)內(nèi)部條件，所有存儲器周期包括一個(gè)存儲器訪問和一個(gè)預(yù)充電，預(yù)充電在ＣＥ腳為高電平或無效時(shí)開始，它必須保持高電平至少為最小的預(yù)充電時(shí)間，由于預(yù)充電在ＣＥ上升沿開始，這使得用戶可決定操作的開始，同時(shí)該器件有一個(gè)ＣＥ為低電平必須滿足的最大時(shí)間規(guī)范。

４　ＦＭ１８０８的設(shè)計(jì)及應(yīng)用要點(diǎn)

ＦＭ１８０８的管腳排列和ＳＲＡＭ ６２２５６兼容，它和使用并行ＳＲＡＭ及ＮＶ－ＳＲＡＭ一樣方便，但是也應(yīng)該注意到ＦＭ１８０８和ＳＲＡＭ及ＮＶ－ＳＲＡＭ之間的區(qū)別。ＦＭ１８０８在下降沿鎖存每個(gè)地址，這樣就允許在每一次訪問存儲器之后，改變地址總線，同時(shí)在ＣＥ下降沿鎖存每個(gè)地址，圖４給出了ＦＭ１８０８與ＳＲＡＭ存儲器訪問的時(shí)序?qū)Ρ取?BR>
由圖４可以看出：ＦＭ１８０８的每一次訪問都必須保證ＣＥ由高到低的躍變，這是ＦＭ１８０８與ＳＲＡＭ唯一的不同，ＣＥ每次訪問均須選通地址的原因有兩個(gè)，其一是要鎖存新地址，其二是當(dāng)ＣＥ為高電平時(shí)，建立鐵電存儲器必須預(yù)充電，因此，在應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)必須改變ＣＥ的選通方式，以保證在時(shí)序上滿足ＦＭ１８０８訪問存儲器的需要，同時(shí)還應(yīng)注意存儲器尋址空間和ＣＥ時(shí)序的兼容。這里以ＭＣＳ－５１單片機(jī)為例給出解決此問題的方法，由于ＭＣＳ－５１單片機(jī)的ＡＬＥ引腳為地址鎖存允許信號，因此，訪問單片機(jī)外部存儲器時(shí)，該腳將輸出一個(gè)負(fù)跳沿的脈沖以用于鎖存１６位地址的低８位。由于每訪問一次外部數(shù)據(jù)存儲器，該脈沖都將出現(xiàn)一次，故可利用ＡＬＥ信號每訪問一次改變一個(gè)周期的特點(diǎn)。ＡＬＥ和ＦＭ１８０８的片選信號Ｐ２．７相或即可得到ＦＭ１８０８要求的訪問時(shí)序。ＡＴ８９Ｃ５２單片機(jī)與ＦＭ１８０８的硬件連接如圖４所示。除了時(shí)序配合之外，ＦＭ１８０８在應(yīng)用時(shí)還應(yīng)注意電源、分塊以及使用壽命等問題。

４．１ 電源監(jiān)控

當(dāng)使用ＳＲＡＭ加后備電池的方式存儲數(shù)據(jù)時(shí)，為了能夠在掉電時(shí)切換為電池供電而必須監(jiān)控電源電壓，同時(shí)為了減少電池?fù)p耗，在掉電之后，用戶不允許訪問ＳＲＡＭ，這樣，用戶可能會在突然沒警告或提示的情況下掉電而無法訪問存儲器。而ＦＲＡＭ存儲器則無須上述電源監(jiān)控系統(tǒng)，ＦＲＡＭ存儲器在任何電源電壓下都不會被終止訪問，當(dāng)然在對數(shù)據(jù)的安全性要求很高的應(yīng)用場合，當(dāng)電源降至一定值時(shí)，可阻止處理器訪問存儲器以提高數(shù)據(jù)存儲的安全性。

４．２ 分塊使用

由前面的存儲原理可知，ＦＭ１８０８在內(nèi)部被分為３２個(gè)塊，其中每塊為１ｋ字節(jié)，應(yīng)用時(shí)除了應(yīng)注意按數(shù)據(jù)訪問的頻繁程度分為固定數(shù)據(jù)區(qū)和臨時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)外，還應(yīng)注意數(shù)據(jù)的存放也必須分塊使用，即對前后有聯(lián)系的數(shù)據(jù)存放在ＦＭ１８０８內(nèi)部的一個(gè)行中或一個(gè)塊中，因?yàn)椋疲停保福埃甘且宰x寫一行（２５６個(gè)字節(jié)）來計(jì)算一次擦寫的，因此，如果關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)被存放在不同的行或塊中，則讀寫數(shù)據(jù)操作時(shí)就要頻繁地切換不同的行或塊，這樣就會降低其正常的存儲壽命。

圖5

４．３ 使用壽命

盡管鐵電存儲器的壽命是有限的，且讀或?qū)懖僮鞫紩绊懙狡渥x寫壽命，但是ＦＭ１８０８存儲器具有１００億次的讀寫壽命，即使是每秒鐘進(jìn)行３０次的讀寫，當(dāng)讀寫壽命到時(shí)也須要１０年的時(shí)間，因此一般對數(shù)據(jù)讀寫操作頻率不是特別高的應(yīng)用場合，可不用特別考慮其讀寫壽命。

５　結(jié)束語

ＦＭ１８０８鐵電存儲器既具有ＲＡＭ的快速寫入特性，又具有ＲＯＭ的非易失性，因此，比現(xiàn)階段廣泛用的Ｅ２ＰＲＯＭ、ＩＳＰ ＦＬＡＳＨ及鋰電池不揮發(fā)ＮＶ－ＳＲＡＭ更具優(yōu)勢，也正是由于其具有這些特點(diǎn)，該器件可廣泛應(yīng)用于對數(shù)據(jù)存儲的安全性及可靠性要求極高的應(yīng)用場合，如門禁考勤系統(tǒng)、測量和醫(yī)療儀表、非接觸式智能卡、稅控收款機(jī)、預(yù)付費(fèi)電度表或復(fù)費(fèi)率電度表及水表、煤氣表等應(yīng)用場合。同時(shí)該器件以其相對低廉的價(jià)格及更高的數(shù)據(jù)存儲可靠性成為ＮＶ－ＳＲＡＭ的理想替代產(chǎn)品，該類型存儲器在高可靠數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)域會獲得越來越廣泛的應(yīng)用。