并行接口鐵電存儲器FM1808及其應用

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、引腳功能和工作原理，同時重點介紹了鐵電存儲器的應用特點及與其它類型存儲器之間的應用差別，給出了FM1808的設(shè)計應用要點。

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格又制約了其在價格敏感領(lǐng)域的應用，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)品同時擁有隨機存儲器（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：

●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間；

●超低功耗。

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

２　性能特點及引腳定義

ＦＭ１８０８的主要特性如下：

●采用先進的鐵電技術(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；

●存取時間為７０ｎｓ；

●低功耗，工作電流為２５ｍＡ，待機電流僅為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，則在使用時就可根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點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，當然上述現(xiàn)象只有在存儲器讀寫次數(shù)達到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)存儲器的實際擦寫次數(shù)大于１００億次，從而延長鐵電存儲器的實際使用壽命。

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，同時又不妨礙用戶使用的靈活性，ＦＭ１８０８通常使用獨特存儲器組織。

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塊內(nèi)均勻進行周期讀寫，例如２５６個字節(jié)的數(shù)據(jù)無須兩次訪問同一行即可被順序訪問，而一個完整的１ｋ８被讀或?qū)憙H需４個周期，圖３給出了ＦＭ１８０８中一個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，這時地址位被鎖存，存儲器讀周期開始，一旦開始，應使ＣＥ保持不變，一個完整的存儲器周期可在內(nèi)部完成，在訪問時間結(jié)束后，總線上的數(shù)據(jù)變?yōu)橛行А?/P>

當?shù)刂繁绘i存后，地址值可在滿足保持時間參數(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)生改變，這一點不象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，ＷＥ在開始寫周期之前置０，即當ＣＥ有效時，ＷＥ應先為低電平。ＦＲＡＭ沒有寫延時，讀與寫訪問時間是一致的，整個存儲器操作一般在一個總線周期出現(xiàn)。因此，任何操作都能在一個寫操作后立即進行，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

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

４?。疲停保福埃傅脑O(shè)計及應用要點

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，同時在ＣＥ下降沿鎖存每個地址，圖４給出了ＦＭ１８０８與ＳＲＡＭ存儲器訪問的時序?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，其一是要鎖存新地址，其二是當ＣＥ為高電平時，建立鐵電存儲器必須預充電，因此，在應用設(shè)計時必須改變ＣＥ的選通方式，以保證在時序上滿足ＦＭ１８０８訪問存儲器的需要，同時還應注意存儲器尋址空間和ＣＥ時序的兼容。這里以ＭＣＳ－５１單片機為例給出解決此問題的方法，由于ＭＣＳ－５１單片機的ＡＬＥ引腳為地址鎖存允許信號，因此，訪問單片機外部存儲器時，該腳將輸出一個負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周期的特點。ＡＬＥ和ＦＭ１８０８的片選信號Ｐ２．７相或即可得到ＦＭ１８０８要求的訪問時序。ＡＴ８９Ｃ５２單片機與ＦＭ１８０８的硬件連接如圖４所示。除了時序配合之外，ＦＭ１８０８在應用時還應注意電源、分塊以及使用壽命等問題。

４．１ 電源監(jiān)控

當使用ＳＲＡＭ加后備電池的方式存儲數(shù)據(jù)時，為了能夠在掉電時切換為電池供電而必須監(jiān)控電源電壓，同時為了減少電池損耗，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，當然在對數(shù)據(jù)的安全性要求很高的應用場合，當電源降至一定值時，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個塊，其中每塊為１ｋ字節(jié)，應用時除了應注意按數(shù)據(jù)訪問的頻繁程度分為固定數(shù)據(jù)區(qū)和臨時數(shù)據(jù)區(qū)外，還應注意數(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)部的一個行中或一個塊中，因為ＦＭ１８０８是以讀寫一行（２５６個字節(jié)）來計算一次擦寫的，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，即使是每秒鐘進行３０次的讀寫，當讀寫壽命到時也須要１０年的時間，因此一般對數(shù)據(jù)讀寫操作頻率不是特別高的應用場合，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，該器件可廣泛應用于對數(shù)據(jù)存儲的安全性及可靠性要求極高的應用場合，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、預付費電度表或復費率電度表及水表、煤氣表等應用場合。同時該器件以其相對低廉的價格及更高的數(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用。