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(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用特點(diǎn)及與其它類(lèi)型存儲器之間的應用差別，給出了FM1808的設計應用要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：FRAM；并行接口；鐵電存儲器；FM1808

１ 引言

目前，數據寫(xiě)入頻率要求較高且要求掉電不丟失數據的應用領(lǐng)域，通常采用內部具有鋰電池的不揮發(fā)ＮＶ－ＳＲＡＭ作為存儲器件，但該類(lèi)器件昂貴的價(jià)格又制約了其在價(jià)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(wèn)題，同時(shí)又可得到更高的數據存儲可靠性。鐵電存儲器是ＲＡＭＴＲＯＮ公司的專(zhuān)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(lèi)型的存儲器有三大特點(diǎn)：

●幾乎可以像ＲＡＭ那樣無(wú)限次寫(xiě)入；

●可隨總線(xiàn)速度寫(xiě)入而無(wú)須任何寫(xiě)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(xiě)入時(shí)間長(cháng)、擦寫(xiě)次數少的缺點(diǎn)，其價(jià)格又比相同容量的不揮發(fā)鋰電ＮＶ－ＳＲＡＭ低很多，因而可廣泛應用于在系統掉電后需要可靠保存程序及數據的應用領(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(xiě)壽命為１００億次；

●掉電數據可保存１０年；

●寫(xiě)數據無(wú)延時(shí)；

●存取時(shí)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(shuō)明見(jiàn)表１所列。

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

３．１ 存儲器的結構與讀寫(xiě)壽命

ＦＲＡＭ可提供比其它非易失性存儲器高得多的寫(xiě)持久性，然而在一定程度上，存儲器訪(fǎng)問(wèn)次數的增加會(huì )造成ＦＲＡＭ操作出錯概率的增加，即寫(xiě)入存儲器的數據會(huì )丟失，而存儲器的內容卻仍然可被正常讀出，當然上述現象只有在存儲器讀寫(xiě)次數達到１００億次之后才會(huì )出現，因此，為了延長(cháng)存儲器的讀寫(xiě)壽命，可以根據數據讀寫(xiě)的頻繁程度，將數據保存在不同的區域中以進(jìn)行讀寫(xiě)操作，例如對一些關(guān)鍵的數據如系統配置參數等，可以放在一個(gè)訪(fǎng)問(wèn)次數較少的區域中，而將變化頻繁的數據或不需要長(cháng)久保存的數據放在單獨的區域中，這樣既可保證系統關(guān)鍵數據存儲的安全性，又可保證非安全區存儲器的實(shí)際擦寫(xiě)次數大于１００億次，從而延長(cháng)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(huì )破壞原有的數據，因此必須在完成讀操作后再執行一個(gè)回寫(xiě)過(guò)程，這樣，每執行一次讀操作，同樣會(huì )減少一次讀寫(xiě)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(hù)使用的靈活性，ＦＭ１８０８通常使用獨特存儲器組織。

ＦＭ１８０８的內部結構框圖如圖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(xiàn)Ａ０～Ａ７對行選擇譯碼，Ａ８～Ａ９對列選擇譯碼，由于每訪(fǎng)問(wèn)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)塊內均勻進(jìn)行周期讀寫(xiě)，例如２５６個(gè)字節的數據無(wú)須兩次訪(fǎng)問(wèn)同一行即可被順序訪(fǎng)問(wèn)，而一個(gè)完整的１ｋ８被讀或寫(xiě)僅需４個(gè)周期，圖３給出了ＦＭ１８０８中一個(gè)１ｋ８存儲器塊的結構圖（存儲器塊４）。

ＦＭ１８０８使用Ａ１０～Ａ１４高位地址線(xiàn)來(lái)選擇３２個(gè)不同的存儲器塊，由于存儲器每行不能超過(guò)塊的界限，因此讀寫(xiě)操作頻率不同的數據應放在不同的塊中。

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(kāi)始，這時(shí)地址位被鎖存，存儲器讀周期開(kāi)始，一旦開(kāi)始，應使ＣＥ保持不變，一個(gè)完整的存儲器周期可在內部完成，在訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間結束后，總線(xiàn)上的數據變?yōu)橛行А?/P>

當地址被鎖存后，地址值可在滿(mǎn)足保持時(shí)間參數的基礎上發(fā)生改變，這一點(diǎn)不象ＳＲＡＭ，地址被鎖存后改變地址值不會(huì )影響存儲器的操作。

３．３ 寫(xiě)操作

ＦＭ１８０８寫(xiě)與讀通常發(fā)生在同一時(shí)間間隔，ＦＭ１８０８的寫(xiě)操作由ＣＥ和ＷＥ控制，地址均在ＣＥ的下降沿鎖存。ＣＥ控制寫(xiě)操作時(shí)，ＷＥ在開(kāi)始寫(xiě)周期之前置０，即當ＣＥ有效時(shí)，ＷＥ應先為低電平。ＦＲＡＭ沒(méi)有寫(xiě)延時(shí)，讀與寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間是一致的，整個(gè)存儲器操作一般在一個(gè)總線(xiàn)周期出現。因此，任何操作都能在一個(gè)寫(xiě)操作后立即進(jìn)行，而不象Ｅ２ＰＲＯＭ需要通過(guò)判斷來(lái)確定寫(xiě)操作是否完成。

３．４ 充電操作

預充電操作是準備一次新訪(fǎng)問(wèn)存儲器的一個(gè)內部條件，所有存儲器周期包括一個(gè)存儲器訪(fǎng)問(wèn)和一個(gè)預充電，預充電在ＣＥ腳為高電平或無(wú)效時(shí)開(kāi)始，它必須保持高電平至少為最小的預充電時(shí)間，由于預充電在ＣＥ上升沿開(kāi)始，這使得用戶(hù)可決定操作的開(kāi)始，同時(shí)該器件有一個(gè)ＣＥ為低電平必須滿(mǎn)足的最大時(shí)間規范。

４?。疲停保福埃傅脑O計及應用要點(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，但是也應該注意到ＦＭ１８０８和ＳＲＡＭ及ＮＶ－ＳＲＡＭ之間的區別。ＦＭ１８０８在下降沿鎖存每個(gè)地址，這樣就允許在每一次訪(fǎng)問(wèn)存儲器之后，改變地址總線(xiàn)，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(fǎng)問(wèn)的時(shí)序對比。

由圖４可以看出：ＦＭ１８０８的每一次訪(fǎng)問(wèn)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(fǎng)問(wèn)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ＣＥ為高電平時(shí)，建立鐵電存儲器必須預充電，因此，在應用設計時(shí)必須改變ＣＥ的選通方式，以保證在時(shí)序上滿(mǎn)足ＦＭ１８０８訪(fǎng)問(wèn)存儲器的需要，同時(shí)還應注意存儲器尋址空間和ＣＥ時(shí)序的兼容。這里以ＭＣＳ－５１單片機為例給出解決此問(wèn)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(fǎng)問(wèn)單片機外部存儲器時(shí)，該腳將輸出一個(gè)負跳沿的脈沖以用于鎖存１６位地址的低８位。由于每訪(fǎng)問(wèn)一次外部數據存儲器，該脈沖都將出現一次，故可利用ＡＬＥ信號每訪(fǎng)問(wèn)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(fǎng)問(wèn)時(shí)序。ＡＴ８９Ｃ５２單片機與ＦＭ１８０８的硬件連接如圖４所示。除了時(shí)序配合之外，ＦＭ１８０８在應用時(shí)還應注意電源、分塊以及使用壽命等問(wèn)題。

４．１ 電源監控

當使用ＳＲＡＭ加后備電池的方式存儲數據時(shí)，為了能夠在掉電時(shí)切換為電池供電而必須監控電源電壓，同時(shí)為了減少電池損耗，在掉電之后，用戶(hù)不允許訪(fǎng)問(wèn)ＳＲＡＭ，這樣，用戶(hù)可能會(huì )在突然沒(méi)警告或提示的情況下掉電而無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)存儲器。而ＦＲＡＭ存儲器則無(wú)須上述電源監控系統，ＦＲＡＭ存儲器在任何電源電壓下都不會(huì )被終止訪(fǎng)問(wèn)，當然在對數據的安全性要求很高的應用場(chǎng)合，當電源降至一定值時(shí)，可阻止處理器訪(fǎng)問(wèn)存儲器以提高數據存儲的安全性。

４．２ 分塊使用

由前面的存儲原理可知，ＦＭ１８０８在內部被分為３２個(gè)塊，其中每塊為１ｋ字節，應用時(shí)除了應注意按數據訪(fǎng)問(wèn)的頻繁程度分為固定數據區和臨時(shí)數據區外，還應注意數據的存放也必須分塊使用，即對前后有聯(lián)系的數據存放在ＦＭ１８０８內部的一個(gè)行中或一個(gè)塊中，因為ＦＭ１８０８是以讀寫(xiě)一行（２５６個(gè)字節）來(lái)計算一次擦寫(xiě)的，因此，如果關(guān)聯(lián)的數據被存放在不同的行或塊中，則讀寫(xiě)數據操作時(shí)就要頻繁地切換不同的行或塊，這樣就會(huì )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，且讀或寫(xiě)操作都會(huì )影響到其讀寫(xiě)壽命，但是ＦＭ１８０８存儲器具有１００億次的讀寫(xiě)壽命，即使是每秒鐘進(jìn)行３０次的讀寫(xiě)，當讀寫(xiě)壽命到時(shí)也須要１０年的時(shí)間，因此一般對數據讀寫(xiě)操作頻率不是特別高的應用場(chǎng)合，可不用特別考慮其讀寫(xiě)壽命。

５　結束語(yǔ)

ＦＭ１８０８鐵電存儲器既具有ＲＡＭ的快速寫(xiě)入特性，又具有ＲＯＭ的非易失性，因此，比現階段廣泛用的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)，該器件可廣泛應用于對數據存儲的安全性及可靠性要求極高的應用場(chǎng)合，如門(mén)禁考勤系統、測量和醫療儀表、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(chǎng)合。同時(shí)該器件以其相對低廉的價(jià)格及更高的數據存儲可靠性成為ＮＶ－ＳＲＡＭ的理想替代產(chǎn)品，該類(lèi)型存儲器在高可靠數據存儲領(lǐng)域會(huì )獲得越來(lái)越廣泛的應用。