可穿戴電子應用的FRAM

　　引言：

　　FRAM存儲器可為可穿戴電子產(chǎn)品帶來(lái)低功耗、小尺寸、高耐用性與低成本。

　　正文：

　　鐵電RAM(FRAM)存儲器廣泛應用于工業(yè)控制系統、工業(yè)自動(dòng)化、關(guān)鍵任務(wù)空間應用、高可靠軍事以及各種汽車(chē)應用。使FRAM適用于這些應用的特征也使之成了可穿戴應用的可行技術(shù)，因為FRAM技術(shù)與生俱來(lái)的附加屬性包括低功耗與高耐用性。

　　電子可穿戴設計的一個(gè)主要注意事項是在提升可靠性的同時(shí)降低總體功耗。設計人員必須在增加功能的同時(shí)降低系統功耗，以便延長(cháng)電池使用壽命。與此同時(shí)，嵌入式軟件的大小和復雜性也在不斷提升，不僅需要更大的存儲器，而且還必須進(jìn)一步增大功耗預算。

　　當前MCU大多數配備兩種普通存儲器：閃存和SRAM。閃存速度相對較慢，而且支持有限數量的寫(xiě)入周期。但它是非易失性的，因此可用于保存應用代碼等變化緩慢的數據。相比之下，SRAM速度快，而且具有無(wú)限的寫(xiě)入周期耐用性。但它是易失性的，只能保存臨時(shí)數據。

　　設計人員選擇MCU所面臨的復雜性包括準確判斷應用所需的閃存和SRAM大小。隨著(zhù)系統復雜程度的提高，設計人員需要采用外部存儲器，往往首先想到的選項是添加更多閃存或一個(gè)EEPROM，一般很難想到添加外部SRAM。

　　能耗、尺寸、高耐用性和成本都是重要的設計參數：

　　對數據同化的高要求正在推動(dòng)對存儲器要求的提高

　　存儲器正日漸成為組件選擇和物料清單(BOM)的重要組成部分

　　延長(cháng)電池使用壽命和縮短充電時(shí)間現已成為市場(chǎng)重要的差異化參量。

　　一般在代碼高度復雜、需要執行多重數學(xué)函數的情況下，設計會(huì )變得更加復雜，這時(shí)設計人員會(huì )考慮增加片上資源，使用外部存儲器。低功耗外部并行接口存儲器可能會(huì )是符合邏輯的首選項，一般是支持極低工作電流并在理想情況下支持零待機電流的SRAM類(lèi)存儲器。

　　此外，并行接口FRAM也可用于此類(lèi)應用。FRAM不僅具有高達4Mb的密度，而且還可在極低讀寫(xiě)工作電流下提供高速性能(90nS訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間)。FRAM天生是非易失性的，因此它們可在未使用時(shí)或是MCU進(jìn)入睡眠模式時(shí)執行電源門(mén)控(關(guān)閉)。

　　并行易失性/非易失性存儲器技術(shù)比較：

　　一般使用串行閃存實(shí)施的數據存儲也會(huì )出現相似的問(wèn)題。閃存單位Mbit成本低，提供較大的存儲密度，因此是廣泛使用的存儲器。但閃存的缺點(diǎn)是寫(xiě)入時(shí)能耗較大，耗盡電池的速度較快。許多開(kāi)發(fā)人員試圖分區閃存并使用能耗較低的EEPROM(即很少寫(xiě)入閃存，將EERPOM作為前端用于大量寫(xiě)入)。EERPOM的待機模式和工作模式所消耗的電流都低于閃存。

　　這種情況的另一種方法是使用支持尋址功能、高速(40MHz SPI)、低工作功耗(一般低于 100uA/MHz)以及4Mb存儲密度的外部串行接口FRAM。

　　串行非易失性存儲器技術(shù)比較：

　　串行FRAM與MRAM、EEPROM及基于閃存的存儲器相比，具有兩大優(yōu)勢。首先寫(xiě)入FRAM的能耗與其它非易失性存儲器相比要低幾個(gè)數量級。其次是其寫(xiě)入耐用性近似于無(wú)限。更便于做決定的是FRAM的封裝一般與EEPROM及閃存相似。

　　不同技術(shù)間的寫(xiě)入耐用性比較

　　可穿戴電子設備試圖通過(guò)節能來(lái)最大限度地延長(cháng)電池使用壽命。此類(lèi)應用依靠微弱突發(fā)能量在短時(shí)段內提供電源。因此在斷電之前MCU能夠執行的代碼行數量極為有限?；陂W存的應用具有極高的電源代價(jià)，不僅是因為訪(fǎng)問(wèn)閃存時(shí)平均功耗較高，而且還因為在閃存寫(xiě)入事件中峰值功耗較高。這種峰值功耗主要是因為使用充電泵，電流值可達7mA，這使得可穿戴電子產(chǎn)品無(wú)法進(jìn)行非易失性寫(xiě)入。有了FRAM，就沒(méi)有了充電泵，因此就不存在大電流寫(xiě)入。寫(xiě)入FRAM和從FRAM讀取(或者執行FRAM)的平均功耗相同。這排除了非易失性寫(xiě)入的功耗障礙，因此FRAM是節電應用的真正高靈活選項。

　　在單個(gè)一體化存儲器中完美整合RAM與ROM功能：

　　從事嵌入式系統開(kāi)發(fā)的設計人員一般根據需要存儲的內容選擇存儲器?？蓤绦写a通常存儲在非易失性存儲器中，而數據則存儲在易失性存儲器中(除存檔目的外)。但對大多數嵌入式系統而言，存儲器技術(shù)與應用混合的傳統做法仍然有效。

　　存儲器技術(shù)應用一般分為可執行代碼任務(wù)與數據任務(wù)。掩膜ROM、OTP-EPROM和NOR閃存等基于ROM的技術(shù)屬于非易失性，因此適合代碼存儲應用。

　　包括NAND閃存和EEPROM在內的其它ROM派生技術(shù)可用作非易失性數據存儲器。這些必須進(jìn)行利弊權衡，因為同時(shí)進(jìn)行代碼及數據存儲時(shí)，與其它技術(shù)相比性能不佳。閃存用于數據存儲的最大優(yōu)勢是低成本，而不是易用性或高性能。

　　SRAM等基于RAM的技術(shù)既可用于數據存儲，也可在閃存緩慢時(shí)用作代碼執行工作空間。RAM可實(shí)現代碼及數據功能性的完美結合，但普通RAM只能提供臨時(shí)存儲。

　　空間有限的應用要求以少量器件實(shí)現最大功能性。即便在具有足夠電路板空間的應用中，設計人員也未必愿意在系統中使用三種不同類(lèi)型的存儲器。在理想情況下，單項存儲器技術(shù)就可同時(shí)滿(mǎn)足代碼與數據存儲需求。它必須是非易失性的，因此普通RAM不在考慮之列。這就只剩下數據存儲介質(zhì)性能欠佳的ROM系列技術(shù)、不可取的電池供電SRAM和鐵電RAM(FRAM)了。

　　FRAM可降低系統成本，提高系統效率，降低復雜性，而功耗則明顯低于閃存、EEPROM、SRAM以及其它可比技術(shù)。如果基于閃存/EEPROM的現有應用具有能源、寫(xiě)入速度、耐用性或掉電備份限制，就可轉而使用FRAM。

　　參考資料：

　　2Mb FRAM產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)：http://www.cypress.com/?rID=73536

　　FRAM SPI應用指南：http://www.cypress.com/?rID=82691

　　FRAM SPI讀寫(xiě)，重啟過(guò)程中的數據保護：http://www.cypress.com/?rID=81967

　　FRAM技術(shù)簡(jiǎn)介：http://www.cypress.com/?rID=83088

　　FRAM耐用性：http://www.cypress.com/?rID=83086