在嵌入式設計中將FRAM用作閃存的替代方案

　如今，有多種存儲技術(shù)均具備改變嵌入式處理領(lǐng)域格局的潛力。然而，迄今為止還沒(méi)有哪一種技術(shù)脫穎而出成為取代微控制器（MCU）中閃存技術(shù)的強勁競爭者，直到FRAM的出現這種情況才得以改變。鐵電隨機存取存儲器（FRAM）是一種非易失性的獨立型存儲技術(shù)，本文將論述FRAM的主要技術(shù)屬性，同時(shí)探討可充分展現FRAM優(yōu)勢的具體用例。

　　FRAM是什么

　　FRAM為非易失性存儲器，其功耗、可寫(xiě)入次數、讀/寫(xiě)速度均與常用的靜態(tài)RAM（SRAM）很相似。存儲在FRAM單元中的信息對應于鐵電晶體的極化狀態(tài)，即使在電源移除之后亦能保存其內容。正是這一特點(diǎn)使FRAM擁有了真正的非易失性。而且，與閃存單元的編程相比，晶體極化所需的電能消耗相對較低，因此FRAM寫(xiě)入操作的功耗天生就比閃存的要低。

　　下面介紹的是目前幾種采用了閃存技術(shù)的微控制器的典型應用。我們從中可以了解到，采用基于FRAM的MCU（而不是基于閃存的MCU）是如何實(shí)現成本、能耗與效率優(yōu)化的。

　　數據錄入

　　典型的數據錄入應用（比如：溫度數據錄入器）能以介于1Hz至1000Hz之間的速率進(jìn)行采樣。 我們知道閃存中單個(gè)字節的寫(xiě)入時(shí)間約為75μs。相比之下，FRAM技術(shù)的寫(xiě)入速率則可達到大約每125ns一個(gè)字節。這種寫(xiě)入速度比閃存快了將近1000倍！我們考慮一下：當應用達到某個(gè)閃存段的末端并需要移動(dòng)至下一個(gè)閃存段時(shí)，會(huì )突然出現20ms的延遲，以等待完成一個(gè)段擦除。

　　這種擦除延遲并不適用于FRAM，因為它不需要在寫(xiě)入操作之間對FRAM字節進(jìn)行預擦除。每個(gè)閃存段20ms的延遲似乎沒(méi)那么令人望而卻步，但當我們計算出其對最大寫(xiě)入速度的顯著(zhù)影響之后就不這么看了。為了方便本文的討論，假定寫(xiě)入的內存區塊的長(cháng)度為512字節。一個(gè)閃存區塊每秒鐘可進(jìn)行26次寫(xiě)操作（包括每寫(xiě)入512字節時(shí)完成一個(gè)擦除周期所需的時(shí)間）。這為我們提供了13kBps的總速度。

　　與之相比，一個(gè)512字節FRAM區塊的寫(xiě)入速度則可超過(guò)8MBps。并不是每一種應用都要求如此高的寫(xiě)入速度，假設您的目標應用只需要每秒1kB的寫(xiě)入速度，那么采用閃存技術(shù)的MCU將在7% 時(shí)間里處于運行狀態(tài)以執行寫(xiě)入操作。然而，FRAM MCU則僅需0.07%的運行時(shí)間即可完成該項任務(wù)，這使得MCU能在99.9%的時(shí)間里保持待機狀態(tài)，從而顯著(zhù)地節省能耗。

　　能量收集

　　當今的許多應用都專(zhuān)注于使用更加清潔的綠色能源，這些能源取自諸如陽(yáng)光、振動(dòng)、熱量或機械變化等自然資源。此類(lèi)應用依賴(lài)于小的突發(fā)能量（其能以短的時(shí)間間隔提供電能），而MCU通常是在失去電源前的最后時(shí)刻決定可執行多少行代碼?；陂W存的應用非常重視功耗，這不僅是由于閃存存取時(shí)的平均功耗較高，同時(shí)也是因為閃存寫(xiě)入過(guò)程中的峰值功耗較高所致。

　　該峰值功耗主要是由于使用充電泵而引起的，最高數值可達到7mA，因而使得非易失性寫(xiě)入操作在能量收集領(lǐng)域幾乎是行不通的。而采用FRAM時(shí)沒(méi)有充電泵；于是，不存在大電流的寫(xiě)入操作。對FRAM進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)的平均功耗與FRAM讀操作或采用FRAM的執行操作相同（即：未損害非易失性寫(xiě)入操作，從而使FRAM成為適合能量收集應用的真正靈活的可選方案）。

　　RFID標簽

　　射頻識別（RFID）標簽開(kāi)始逐漸出現在許多場(chǎng)所：商店貨架（用于顯示商品價(jià)格）、各類(lèi)會(huì )議（胸卡）以及工業(yè)自動(dòng)化車(chē)間（用于標明和識別傳送帶上的物體）。部分此類(lèi)應用每天需要進(jìn)行多達100次的存儲器寫(xiě)入操作。

　　假設一個(gè)典型壽命為1萬(wàn)次寫(xiě)入/擦除的閃存字節。為了實(shí)現10萬(wàn)次寫(xiě)入/擦除的壽命，應用將需要為每個(gè)數據字節留出10個(gè)閃存字節，從而以高冗余度為代價(jià)來(lái)滿(mǎn)足壽命要求。

　　相比之下，一個(gè)FRAM存儲器字節的壽命可達1015次寫(xiě)入/擦除，這是一個(gè)閃存字節的1000億倍。對于那些要求幾百萬(wàn)次寫(xiě)入/擦除之高壽命的應用，FRAM的壽命指標是目前可用的其他嵌入式非易失性存儲器技術(shù)所無(wú)法比擬的。
手持式測量

　　在對掉電現象高度關(guān)注的手持式測量中，血糖測量便是一個(gè)例子。在由于使用了電量耗盡的電池而導致供電故障的情況下，血糖計需要保存一個(gè)時(shí)間戳、保存電源發(fā)生故障時(shí)的讀數、甚至還可能在關(guān)斷之前執行幾項數學(xué)函數運算。

　　我們設想一種采用電荷耗盡之電池且基于閃存的測量應用，電源電壓的下降可被近似為：在 0.01秒的時(shí)間里至300mV左右。在這段時(shí)間中，可寫(xiě)入多達8萬(wàn)個(gè)FRAM字節，而相比之下閃存字節則只能寫(xiě)入8千字節左右。然而，這還沒(méi)有把閃存寫(xiě)入操作的高峰值電流及平均電流要求等因素考慮在內，這種大電流需求將迅速消耗電池電量，最終導致電池的后備供電能力顯著(zhù)下降。

　　電源故障過(guò)程中系統后備的另一個(gè)用例是電能計量，此時(shí)，能耗數據必需保存在非易失性存儲器之中，直到供電恢復為止。在此類(lèi)場(chǎng)合中，系統后備期間的電能使用情況是至關(guān)緊要的，因為后備電池電源的期望使用期限長(cháng)達10年之久。

　　對于種類(lèi)繁多、數量龐大的應用而言，FRAM不僅提供了差異化、同時(shí)亦可能是唯一可行的選項。如需對基于FRAM的MCU進(jìn)行測試驅動(dòng)，不妨試用由德州儀器公司提供的MSP430FR57xx系列，樣片可免費獲得。

　　FRAM能減少系統成本、提高系統效率和降低復雜性，同時(shí)具有遠低于閃存的功耗。如果您現有的基于閃存的MCU應用存在能耗、寫(xiě)入速度、使用壽命或電源故障后備方面的局限，那么或許這正是轉向FRAM的契機。

　　圖1：FRAM可實(shí)現連續的超低功耗數據錄入，并支持超過(guò)15萬(wàn)年的連續數據錄入（對比之下，采用閃存時(shí)則需不到7分鐘的時(shí)間）。

　　圖2：一體化 － FRAM微控制器可提供最大的讀取、寫(xiě)入、功耗與存儲器優(yōu)勢。