簡(jiǎn)述嵌入式系統的高速度大容量非易失隨機數據存儲

1 常見(jiàn)高速度大容量非易失隨機數據存儲

高速度、大容量、非易失、隨機存儲是現代嵌入式應用體系數據存儲的迫切需要，特別是大量的測/控過(guò)程參變量、音/視頻數據、高速通信數據包、可變配置文件等的存儲。高速度是指存取訪(fǎng)問(wèn)速度快，對于并行接口存儲器為幾到幾十秒級，對于串行存儲器波特率為幾百kbps到幾十Mbps.大容量是指以盡可能小的芯片體積得到盡可能大的數據存儲密度，通常為幾百千位到幾百兆位。非易失隨機存儲器在斷電后不會(huì )丟失數據。而隨機存儲器以鐵電物質(zhì)為原料，通過(guò)施加電場(chǎng)，依靠鐵電晶體的電極在兩個(gè)穩定態(tài)之間轉換實(shí)現數據的讀寫(xiě)。鐵電隨機存儲器具備非易失、讀寫(xiě)速度快、工作電壓低、數據存儲時(shí)間長(cháng)等優(yōu)勢，但是在容量方面一直沒(méi)有突破。

面對這些需求，自然會(huì )想到SRAM（Static Random Access Memory,靜態(tài)隨機訪(fǎng)問(wèn)存儲器）、DRAM（Dynamic RAM,動(dòng)態(tài)存儲器）和Flash（FLASH Memory,閃速存儲器）?！　RAM不需要刷新電路即能保存它內部存儲的數據。而DRAM（Dynamic Random Access Memory）每隔一段時(shí)間，要刷新充電一次，否則內部的數據即會(huì )消失，因此SRAM具有較高的性能。DRAM（Dynamic Random Access Memory），即動(dòng)態(tài)隨機存取存儲器最為常見(jiàn)的系統內存。DRAM 只能將數據保持很短的時(shí)間。為了保持數據，DRAM使用電容存儲，所以 必須隔一段時(shí)間刷新（refresh）一次，如果存儲單元沒(méi)有被刷新，存儲的信息就會(huì )丟失。 （關(guān)機就會(huì )丟失數據）

能夠部分或全部滿(mǎn)足高速度、大容量、非易失、隨機數據存取訪(fǎng)問(wèn)的存儲器件主要有6種，如圖1所示。

常用高速度大容量非易失存儲器件的接口類(lèi)型如圖2所示。

特別指出：文中存儲器的速度是指讀/寫(xiě)操作訪(fǎng)問(wèn)存儲器的速率，實(shí)際應用中并行存儲器速度常用一次讀/寫(xiě)操作的時(shí)間周期表示，如70~140 ns;串行存儲器常用每秒讀/寫(xiě)操作的二進(jìn)制位數（即時(shí)間頻率）表示，如25MHz.

2 高速度大容量非易失隨機存儲器件綜述

2.1 電擦除可編程存儲器E2PROM

EEPROM（電可擦寫(xiě)可編程只讀存儲器）是可用戶(hù)更改的只讀存儲器（ROM），其可通過(guò)高于普通電壓的作用來(lái)擦除和重編程（重寫(xiě)）。不像EPROM芯片，EEPROM不需從計算機中取出即可修改。在一個(gè)EEPROM中，當計算機在使用的時(shí)候是可頻繁地重編程的，EEPROM的壽命是一個(gè)很重要的設計考慮參數。EEPROM的一種特殊形式是閃存，其應用通常是個(gè)人電腦中的電壓來(lái)擦寫(xiě)和重編程。 EEPROM,一般用于即插即用（Plug Play）。常用在接口卡中，用來(lái)存放硬件設置數據。也常用在防止軟件非法拷貝的硬件鎖上面。

E2PROM器件的重復擦寫(xiě)次數在102~105次，掉電數據保存時(shí)間達10年，通常為5V、3.3V、3V、2.7V、2.5V或1.8V單電源供電。Saifun提出的Quad NROM新技術(shù)，使傳統存儲單元上存儲的數據信息擴大了一倍，同時(shí)也大大提高了讀/寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)速度。該項技術(shù)應用于E2PROM產(chǎn)生了很多大密度、高速度、小體積存儲器件。

常用E2PROM器件有8位并行的E.PROM和SPI、I2C、1-wire等串行E2PROM.器件命名常帶C,如25C.并行E2PROM容量在2~512 KB,速度為100~300 ns,如Atmel公司的5 V/512 KB的AT28C020、3.3 V/128 KB 的 AT28LV010、 3 V/64 KB 的AT28BV256,以及Mcrochip公司的28C04/16/17/32/64A等。

1一wire串行E2PROM多為低功耗器件，6或8腳的SO、SOT、TSOC或CSP封裝，容量為256位~4 Kb,頁(yè)模式寫(xiě)操作，具有WP或SHA一1數據寫(xiě)保護機制。

Maxim公司供應不同規格的該類(lèi)器件，型號為DS243x,如電源電壓為2.8~5.5 V、容量為1 Kb的DS2432.

I2C串行E2PROM容量為128位~1 Mb,低功耗，支持字節/頁(yè)模式寫(xiě)操作，多為8腳SMD小型封裝。通常有3種速度：100 kHz（標速）、400 kHz（高速）和1 MHz（全速）。采用Quad NRoM技術(shù)的該類(lèi)存儲器可以達到3.4 MHz,不少I(mǎi)2C串行E2PROM具有硬件或軟件數據保護機制。Microchip、Atmel、Firechild、Saifun、Samsung、Infineon、Catalyst等很多半導體廠(chǎng)商生產(chǎn)I2C這類(lèi)器件。

SPI串行E2PROM容量為256位~4 Mb,多以頁(yè)模式進(jìn)行寫(xiě)操作，帶有頁(yè)緩沖RAM,有軟件/硬件數據保護機制。這類(lèi)器件多是作為從器件工作在SPI總線(xiàn)協(xié)議的模式O或模式3.Xicor、Mierochip、Atmel、Saifun等很多半導體廠(chǎng)商生產(chǎn)該類(lèi)器件，如4 Mb AT254096和SA25C040.

2.2 閃速存儲器Flash

FLASH閃存英文名稱(chēng)是Flash Memory,一般簡(jiǎn)稱(chēng)為Flash,它屬于內存器件的一種。 不過(guò)閃存的物理特性與常見(jiàn)的內存有根本性的差異： 目前各類(lèi) DDR 、 SDRAM 或者 RDRAM 都屬于揮發(fā)性?xún)却?，只要停止電流供應內存中的數據便無(wú)法保持，因此每次電腦開(kāi)機都需要把數據重新載入內存；閃存則是一種不揮發(fā)性（ Non-Volatile ）內存，在沒(méi)有電流供應的條件下也能夠長(cháng)久地保持數據，其存儲特性相當于硬盤(pán)，這項特性正是閃存得以成為各類(lèi)便攜型數字設備的存儲介質(zhì)的基礎。

根據存儲單元的組合形式差異，Flash主要有兩種類(lèi)型：或非NOR和與非NAND.

NOR Flash也稱(chēng)為L(cháng)inear Flash,擁有獨立的數據總線(xiàn)和地址總線(xiàn)，能快速隨機讀取，可以單字節/單字編程，但必須以塊為單位或整片執行擦除，重新編程之前必須進(jìn)行擦除操作。NOR Flash擦除和編程速度較慢，容量不大，最大為幾百Mb.

NAND Flash中數據線(xiàn)與地址線(xiàn)復用，以頁(yè)（256或512字節）為單位進(jìn)行讀和編程操作，以塊（4/8/16 KB）為單位進(jìn)行擦除操作，編程和擦除的速度較快，隨機讀取速度慢且不能按字節隨機編程。這類(lèi)器件尺寸小，引腳少，成本低，容量大（可達幾千Mb）。早期芯片含有失效塊，采用UltraNAND技術(shù)后有效地消除了失效塊?，F代的NAND Flash常內含1~2級的緩沖SRAM,頁(yè)訪(fǎng)問(wèn)速度更快了。

常用Flash是8位或16位的并行存儲器和SPI接口，存儲器，器件標識多含F,如25Fxxx.并行Flash的速度通常為40~150 ns,使用壽命在103~106次。Intel、Sharp、Toshiba等公司生產(chǎn)系列化的并行NOR Flash,Samsung、Toshiba、Fujistu、Sandisk等公司生產(chǎn)系列化的并行NAND Flash.并行Flash中，以NAND型應用最多。

SPI Flash以頁(yè)模式寫(xiě)入，每次寫(xiě)入的字節數限制頁(yè)內，寫(xiě)前必須進(jìn)行頁(yè)、扇區（若干頁(yè)）或整體擦除，片內含有與頁(yè)等大小的RAM緩沖，速度較快。這類(lèi)器件多為大容量、低功耗、低電源供電器件，具有硬件/軟件數據保護機制，8引腳封裝，引腳兼容同種規格的SPIE2PROM.需要注意的是，寫(xiě)或擦除前必須進(jìn)行寫(xiě)使能操作。Atreel與Saifun等公司提供系列化的SPI Flash,容量可達4 Mb.Atmel器件，派生自E2PROM,頻率可達33 MHz;Saifun器件，采用其獨特的Quad NROM技術(shù)，頻率可達50 MHz.SPI Flash在便攜式消費電子中應用廣泛。典型的高速度大容量SPI Flash如AT25F4096、SA25F040等。

2.3 電池后備靜態(tài)隨機存儲器BBSRAM

BBSRAM需要電池（一般是鋰電池）用以在外部供電出現故障或關(guān)斷時(shí)供電。另外，它也不可能采用回流焊工藝，因為電池可能因此發(fā)生泄漏甚至爆炸。BBSRAM還需遵循歐盟有害物質(zhì)限用指令（RoHS），這可能會(huì )給設計工程師帶來(lái)極大的困難。RoHS指令在2003年2月份開(kāi)始實(shí)施，是歐盟制定的一項法令，限制了某些電子電氣產(chǎn)品制造過(guò)程中對6種有害材料的使用。雖然存在上述各種艱巨挑戰，若系統需要每秒數千次的訪(fǎng)問(wèn)速度，BBSRAM仍不失為一種理想選擇。BBSRAM中的靜態(tài)RAM 允許無(wú)限的讀寫(xiě)次數，非常適合那些需要頻繁讀寫(xiě)的存儲器應用。

常用的BBSRAM是8位的并行存儲器件，讀/寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)速度為50~150 ns,容量可達128 Mb,5/3.3 V電源供應，接口引腳兼容同種規格的SRAM器件，一些器件還有軟硬件數據保護機制。常見(jiàn)的BBSRAM有美新宏控公司的基本硬件保護型8位HKl2系列、增強硬件型8位HKl2DP系列、硬軟件保護型8位OKS系列，ST與Maxim公司的零功耗BBSRAM系列、帶實(shí)時(shí)時(shí)鐘的BBSRAM系列等。典型的大容量器件如8M×8位的HK/OKSl295、16M×8位的HK/OKS1285等。

2.4 非易失靜態(tài)隨機存儲器NVSRAM

NVSRAM 為 Non-volatile SRAM縮寫(xiě)，即為非易失性SRAM.NVSRAM采用SRAM+EEPROM方式，實(shí)現了無(wú)須后備電池的非易失性存儲，芯片接口、時(shí)序等與標準SRAM完全兼容。NVSRAM通常的操作都在SRAM中進(jìn)行，只有當外界突然斷電或者認為需要存儲的時(shí)候才會(huì )把數據存儲到EEPROM中去，當檢測到系統上電后會(huì )把EEPROM中的數據拷貝到SRAM中，系統正常運行。其主要用于掉電時(shí)保存不能丟失的重要的數據，應用領(lǐng)域廣泛。NVSRAM有3種存儲方式：自動(dòng)存儲、硬件存儲和軟件存儲。有2種召回（Recall）操作方式：自動(dòng)RECALL和軟件RECALL.存儲過(guò)程包括2個(gè)步驟：擦除之前E2PROM的內容，把當前SRAM的數據保存到E2PROM中。召回過(guò)程也包括2個(gè)步驟：清除之前SRAM的內容，把E2PROM的數據拷貝到SRAM中。自動(dòng)存儲或召回由器件內含的邏輯監控電路完成，硬件存儲由可控引腳外部實(shí)現，軟件存儲或召回通過(guò)軟件由預定義的連續SRAM讀操作來(lái)控制實(shí)現。

常見(jiàn)NVSRAM是8位的并行存儲器件，可以隨機讀/寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)，存取訪(fǎng)問(wèn)速度為15~45 ns,容量可達4Mb,引腳接口兼容同類(lèi)型的SRAM.NVSRAM器件體積小，占用PCB空間小，通常有SOIC和SSOP兩種封裝，5/3.3V電源供電，器件使用壽命在10年以上，片內的E2PROM可以保存數據100年。Cypress、Maxim等公司都有系列化的NVSRAM器件，典型的NVSRAM器件如CYl4E256L（32K×8位）、DSl350Y/AB（512K×8位）等。

2.5 鐵電晶體隨機存儲器FRAM

鐵電晶體隨機存儲器FRAM（Ferroelectric RAM）是Ramtron公司開(kāi)發(fā)并推出的基于鐵電晶體效應的高速非易失性存儲器。鐵電效應是指在鐵電晶體上施加一定的電場(chǎng)時(shí)，晶體中心原子在電場(chǎng)的作用下運動(dòng)，并達到一種穩定狀態(tài)；移走電場(chǎng)，晶體中心原子仍會(huì )保持在原位置；鐵電效應是鐵電晶體所固有的一種與電磁作用無(wú)關(guān)的偏振極化特性。FRAM存儲單元主要由電容和場(chǎng)效應管構成，由存儲單元電容中鐵電晶體的中心原子位置保存數據。

FRAM速度很快，可以隨機讀/寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)，寫(xiě)前不需要擦除操作，功耗極低（約為E2PROM的1/20），抗磁/電場(chǎng)干擾能力強。5 V器件的使用壽命是1014次，3.3 V器件幾乎可以達到無(wú)限次，存儲數據可以保持45~125年，其非易失性失效后還可以作為SRAM使用。讀/寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)FRAM后，需要一個(gè)預充（precharge）過(guò)程恢復存儲的數據位，讀/寫(xiě)操作具有增加的預充電時(shí)間，這是FRAM所獨有的。

主要的FRAM有8/16位的并行FRAM和I2C、SPI接口的串行FRAM.FRAM器件以FMxxx開(kāi)頭，其封裝和引腳分布與同類(lèi)SRAM、E2PROM器件兼容。I2CFRAM的速度可達1MHz,容量可達512 Kb.SPIFRAM的速度可達40 MHz,容量可達2 Mb.并行FRAM的速度可達55 ns,讀/寫(xiě)周期為110 ns,容量可達4 Mb.使用并行FRAM,由于存在預充,讀/寫(xiě)操作時(shí)要特別注意微處理器與存儲器的時(shí)序的對應統一。典型的高速度大容量FRAM器件有16位并行FM22L16、8位并行FM20L08、FMM24C512、FM25H20等。

2.6 磁阻式隨機存儲器MRAM

磁阻性隨機存儲器MRAM（Magnetic-ResistiveRAM）基于GMR（Giant Magneto Resistive）薄膜技術(shù)，與硬盤(pán)驅動(dòng)器原理相同，以磁性的方向為依據存儲數據。其基本存儲單元是磁隧道結（MTJ）結構，MTJ由固定磁層、薄絕緣隧道隔離層和自由磁層組成。向MTJ施加偏壓時(shí)，被磁層極化的電子會(huì )通過(guò)一個(gè)稱(chēng)為穿遂（Tunneling）的過(guò)程，穿透絕緣隔離層；當自由層的磁矩與固定層平行時(shí)MTJ結構具有低電阻；而當自由層的磁矩方向與固定層反向平行時(shí)則具有高電阻，這就是電阻隨磁性狀態(tài)改變而變化的磁阻現象。相對于傳統的電荷存儲，磁阻存儲有兩個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)：磁場(chǎng)極性不會(huì )像電荷那樣會(huì )隨時(shí)間而泄漏，即使斷電也能保持信息；兩種狀態(tài)之間轉換磁場(chǎng)極性時(shí)不會(huì )發(fā)生電子和原子的實(shí)際移動(dòng)，也就不會(huì )有所謂的失效機制。

常見(jiàn)MRAM器件是8位或16位的并行存儲器件，存取速度為25~100ns,讀操作速度快，寫(xiě)操作速度稍慢。MRAM器件封裝體積小，符合RoHS標準，引腳兼容同類(lèi)型的SRAM器件，最大容量可達4Mb,功耗低，通常以3.3/3 V電源工作，使用壽命都在10年以上，現代很多MRAM器件已經(jīng)幾乎沒(méi)有了使用次數限制。飛思卡爾等公司推出有系列化的MRAM器件，典型器件如1Mb的MROAl6A、4 Mb的MR2A16A/AV等。

3 高速度大容量非易失隨機數據存儲縱觀(guān)

各種高速度大容量非易失隨機數據存儲器性能對比如表1~表4所列。

從E2PROM、Flash、BBSRAM到NVSRAM、FRAM、MRAM,每種類(lèi)型的存儲器都有各自的優(yōu)勢和不足。傳統的E2PROM、Flash、BBSRAM存儲器件符合傳統操作習慣，具有價(jià)格上的優(yōu)勢，在中低檔嵌入式產(chǎn)品中還有廣泛的應用。但是，E2PROM和Flash存儲器件需要寫(xiě)前擦除，E2PROM和NOR Flash容量有限，NAND Flash還要頁(yè)模式操作，BBSRAM體積龐大且不符合RoHS環(huán)保標準，這些缺陷決定了它們遲早要讓位于現代的NVSRAM、FRAM、MRAM器件。

NVSRAM、FRAM、MRAM器件，在速度、容量、非易失性、隨機操作、封裝體積、功耗等性能方面具有很大優(yōu)勢，代表著(zhù)現代高速度、大容量、非易失、隨機數據存儲器件的發(fā)展趨勢。NVSRAM速度優(yōu)勢最強，美中不足的是需要外接滿(mǎn)足特定要求的電容。FRAM器件種類(lèi)齊全，特別是可以代替E2PROM和Flash的串行器件，但其操作速度不是最優(yōu)，還有待提高。MRAM器件有顯著(zhù)的速度、容量、非易失、隨機操作、體積、功耗優(yōu)勢，正在得到廣泛應用。NVSRAM、FRAM、MRAM器件性?xún)r(jià)比很高，但是價(jià)格相對稍高些。

4 高速度大容量非易失隨機存儲器件選用

為嵌入式應用系統選擇非易失隨機存儲器件的一般步驟如下：

①根據設計產(chǎn)品功能需求，考慮需求的器件接口是并行的還是串行SPI或I2C的。并行接口器件運行速度快，便于軟件操作，適合于大中型體系，如測/控板卡等；串行接口硬件電路簡(jiǎn)單，適合于消費類(lèi)電子、便攜式設備等。

②根據實(shí)際需求和價(jià)格成本因素選擇合適類(lèi)型的器件。并行存儲器類(lèi)型多，8/16位系列化器件多，選擇余地很大。SPI器件，有E2PROM、Flash和FRAM類(lèi)型。I2C器件只有E2PROM和FRAM類(lèi)型。

③根據速度、容量、非易失性、隨機訪(fǎng)問(wèn)便利性、封裝體積、功耗等設計需求，以及上述一系列高速度、大容量、非易失、隨機存儲器件的對比分析，選擇合適半導體廠(chǎng)家的具體存儲器件。既要做到性能選擇最優(yōu)，又要兼顧投入成本?？梢允褂猛淮鎯ζ骷瓿蓴祿彺?、中間數據存儲、非易失數據存儲，這正是非易失隨機數據存儲的優(yōu)勢所在。

結 語(yǔ)

E2PROM、Flash、BBSR.AM、NVSRAM、FRAM、MRAM等存儲器及其系列化器件，為嵌入式應用系統的高速度、大容量、非易失、隨機數據存儲提供了廣闊的選擇空間。NVSRAM、FRAM、MRAM存儲器，特別是FRAM和MRAM具有更高的性?xún)r(jià)比。有了這些高性能低成本器件，中間數據緩存、靈活參數配置、測/控變量存儲、音/視頻數據存儲、高速通信數據包存儲、程序代碼可變存儲等嵌入式系統設計，將變得更加靈活、高效和方便。