一種新型非易失性存儲器的原理及應用

摘要：本文詳細了介紹了德國ZMD公司的非易失性存儲器（nvSRAM）的原理、種類(lèi)及應用。德國ZMD公司的非易失性存儲器采用SRAM+EEPROM方式，巧妙地將兩種存儲技術(shù)集成進(jìn)一個(gè)芯片之中，降低了成本，提高了可靠性。本文除介紹芯片原理之外，還提供了參考框圖。
關(guān)鍵詞：ZMD，nvSRAM，非易失性存儲器，掉電非易失

縱觀(guān)目前低容量并行接口的非易失存儲器市場(chǎng)，EEPROM、FRAM、SRAM+BAKBAT方式等占據了市場(chǎng)主流，其中EEPROM的供應廠(chǎng)家很多，其中以ATMEL，ST等廠(chǎng)家占主導地位，FRAM只有美國RAMTRON公司一技獨秀，而采用SRAM+BAKBAT方式的廠(chǎng)家，目前DALLAS占據了大部分市場(chǎng)空間，國內也有幾家公司提供類(lèi)似產(chǎn)品，其中比較知名的如HK等。以上幾種產(chǎn)品性能方面各有優(yōu)缺，其中EEPROM的市場(chǎng)應用范圍最為廣泛，其缺點(diǎn)也是路人皆知，寫(xiě)入速度慢，至少10ms的寫(xiě)等待時(shí)間，而且寫(xiě)操作次數有限制；FRAM鐵電存儲器的優(yōu)點(diǎn)在于其操作速度很快，能夠達到標準SRAM的速度，而且寫(xiě)操作次數特別高，最低能夠實(shí)現100億次的寫(xiě)操作，但其讀寫(xiě)時(shí)序與標準SRAM有差別，目前還沒(méi)有做到完全兼容；采用SRAM+后備電池是一種傳統而古老的非易失存儲方式，這種方式由于DALLSA的大力推廣又獲得了新生，此方式的優(yōu)點(diǎn)在于芯片能夠與標準的SRAM完全兼容，而且操作速度非?？?，但是缺點(diǎn)也是非常明顯的，芯片體積很大，占據太多的電路板空間，而且芯片內部的電池存在使用環(huán)境的限制，并且如果電池電量耗盡，那么所有的數據都將丟失。

德國ZMD公司研發(fā)了采用另外一種方式的非易失性存儲器nvSRAM，它采用了全新的SRAM+EEPROM方式，實(shí)現無(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。這樣就方便用戶(hù)直接替換DALLAS、HK等公司的同類(lèi)產(chǎn)品，或者可以方便地將原來(lái)電路中的SRAM換成ZMD公司的nvSRAM，而無(wú)須更改電路。
 
（圖一：芯片內部原理框圖）
ZMD公司的nvSRAM有兩種操作模式，SRAM模式與非易失性模式，
在SRAM模式中，存儲器可以像普通的靜態(tài)RAM一樣操作，SRAM可以讀寫(xiě)無(wú)限次，且讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間小于25ns，所有的nvSRAM都是以字節方式組織的。
在非易失性模式中，數據從SRAM中保存進(jìn)EEPROM中（STORE操作），或者從EEPROM回讀至SRAM中（RECALL操作）。STORE和RECALL可能會(huì )按下面的方式開(kāi)始：
1、在系統上電或者下電時(shí)，自動(dòng)開(kāi)始STORE或者RECALL操作。
2、通過(guò)軟件序列或者硬件信號，由用戶(hù)控制開(kāi)始STORE或者RECALL操作。
一旦STORE和RECALL周期開(kāi)始后，SRAM的進(jìn)一步輸入輸出便被禁止，直至周期結束，片上的STORE和RECALL控制單元控制數據在SRAM與EEPROM之間轉移
在任何時(shí)間，幾毫秒之內SRAM中的數據就可以被存儲于EEPROM中，數據可以寫(xiě)進(jìn)EEPROM中至少10萬(wàn)次，從EEPROM中讀出數據至SRAM中的次數是沒(méi)有限制的，nvSRAM保證數據從上一次保存周期結束后可以至少保存45年以上，它保證在芯片調換時(shí)或者未來(lái)電壓突然中斷時(shí)，數據不會(huì )丟失。

目前ZMD公司的nvSRAM根據數據保存方式不同有四種類(lèi)型，分別是HardStore，SoftStore，PowerStore，CapStore，每種不同的存儲方式對應著(zhù)不同的產(chǎn)品型號，以下對這幾種方式做一個(gè)詳細的說(shuō)明與解釋。
HardStore nvSRAM 
控制管腳上的信號控制nvSRAM中的數據從SRAM保存進(jìn)EEPROM上（STORE），或者從EEPROM回讀至SRAM中（RECALL）。
SoftStore nvSRAM
一個(gè)預定義的六個(gè)連續的SRAM讀操作控制nvSRAM中的數據從SRAM保存至EEPROM中（STORE），或者從EEPROM回讀至SRAM中（RECALL）。
PowerStore nvSRAM
數據從SRAM保存至EEPROM中，是在內部的電壓傳感器控制下自動(dòng)執行的，當傳感器檢測到操作電壓跌落低于一個(gè)最小值的時(shí)候，會(huì )自動(dòng)啟動(dòng)保存操作，保存數據的能量是由外部的一個(gè)聯(lián)接至電容能量管腳的電容提供，或者由系統固有容性提供能量。
CapStore nvSRAM
數據從SRAM轉移至EEPROM中是在電壓檢測器的控制下自動(dòng)執行的，當電壓檢測器檢測到操作電壓跌落低于一個(gè)最小值時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)保存操作，保存數據的能量由一個(gè)內部的電容提供。
所有類(lèi)型的nvSRAM在系統上電時(shí)自動(dòng)執行回讀操作（RECALL）。

PowerStore和CapStore可以提供硬件或者軟件的保存（STORE）或者回讀（RECALL）操作，除了在系統下電或者掉電時(shí)轉移數據是自動(dòng)執行的。

nvSRAM的典型應用包括工業(yè)控制和汽車(chē)電子，同時(shí)也包括醫療及測量系統。在極端環(huán)境下，如果數據的可靠性存儲需要得到保證，那么nvSRAM將是一種完美的解決方案。
在各種數字設備中，nvSRAM可以用于保存各種緊急數據。在小型化的應用中，可以將數據存儲器與程序存儲器集中在一片nvSRAM中，以此來(lái)減少電路板上IC的數目，提高了系統的靈活性及性能。具有快速訪(fǎng)問(wèn)特性的nvSRAM是測量及醫療應用中的理想的數據存儲方案，測量的數據可以保存在SRAM中，然后在系統正常下電或者系統突然掉電時(shí)，將數據轉移進(jìn)EEPROM中。