并行接口铁电存储器FM1808及其应用

摘要：RAMTRON公司生产的并行接口高性能铁电存储器FM1808是NV-SRAM的理想替代产品。文中介绍了FM1808的性能特点、引脚功能和工作原理，同时重点介绍了铁电存储器的应用特点及与其它类型存储器之间的应用差别，给出了FM1808的设计应用要点。 关键词：FRAM；并行接口；铁电存储器；FM1808 １ 引言 目前，数据写入频率要求较高且要求掉电不丢失数据的应用领域，通常采用内部具有锂电池的不挥发ＮＶ－ＳＲＡＭ作为存储器件，但该类器件昂贵的价格又制约了其在价格敏感领域的应用，而如果使用与其兼容的铁电存储器ＦＲＡＭ，则可很好地解决成本问题，同时又可得到更高的数据存储可靠性。铁电存储器是ＲＡＭＴＲＯＮ公司的专利产品，该产品的核心技术是铁电晶体材料，这一特殊材料使得铁电存储器产品同时拥有随机存储器（ＲＡＭ）和非易失性存储器（ＲＯＭ）产品的特性。 ＦＭ１８０８是基于铁电存储器原理制造的并行接口２５６ｋｂｉｔ铁电存储器，该存储器相比其它类型的存储器有三大特点： ●几乎可以像ＲＡＭ那样无限次写入； ●可随总线速度写入而无须任何写等待时间； ●超低功耗。 这种铁电存储器ＦＲＡＭ克服了以往ＥＥＰＲＯＭ和ＦＬＡＳＨ写入时间长、擦写次数少的缺点，其价格又比相同容量的不挥发锂电ＮＶ－ＳＲＡＭ低很多，因而可广泛应用于在系统掉电后需要可靠保存程序及数据的应用领域，同时也是价格昂贵的不挥发锂电ＮＶ－ＳＲＡＭ的理想替代产品。 ２　性能特点及引脚定义 ＦＭ１８０８的主要特性如下： ●采用先进的铁电技术制造； ●存储容量为２５６ｋ ｂｉｔ（即３２ｋ ｂｙｔｅ）； ●读写寿命为１００亿次； ●掉电数据可保存１０年； ●写数据无延时； ●存取时间为７０ｎｓ； ●低功耗，工作电流为２５ｍＡ，待机电流仅为２０μＡ； ●采用单５Ｖ工作电压； ●工作温度范围为－４０℃～＋８５℃； ●具有特别优良的防潮湿、防电击及抗震性能； ●与ＳＲＡＭ或并行Ｅ２ＰＲＯＭ管脚兼容。 ＦＭ１８０８采用２８脚ＰＤＩＰ和ＳＯＩＣ封装形式。图１ 给出了其ＳＯＩＣ封装的引脚排列，各引脚功能说明见表１所列。 引脚号 性 质 引脚名称 描 述 A0～A14 输入 地址线 地址数据在CE的下降沿被锁定 DQ0～DQ7 I/O 数据线 　 CE 输入 片选 当CE为低电平时，芯片被选中 OE 输入 输出使能 当OE为低电时，FM1808把数据送到总线；当OE为高，数据线为高阻态 WE 输入 写使能 当WE为低电平时，总线的数据写入被A0～A14所决定的地址中 VDD 电源 电压输入 5V供电电压 VSS 电源 地 　 ３　ＦＭ１８０８工作原理 ＦＭ１８０８具有１００亿次的读写寿命，它比其它类型的存储器读写寿命要高得多。尽管如此，其读写寿命也是有限的，如果对ＦＭ１８０８的工作原理及内部结构有所了解，则在使用时就可根据其结构特点合理使用存储单元以延长其读写寿命。 ３．１ 存储器的结构与读写寿命 ＦＲＡＭ可提供比其它非易失性存储器高得多的写持久性， 然而在一定程度上，存储器访问次数的增加会造成ＦＲＡＭ操作出错概率的增加，即写入存储器的数据会丢失，而存储器的内容却仍然可被正常读出，当然上述现象只有在存储器读写次数达到１００亿次之后才会出现，因此，为了延长存储器的读写寿命，可以根据数据读写的频繁程度，将数据保存在不同的区域中以进行读写操作，例如对一些关键的数据如系统配置参数等，可以放在一个访问次数较少的区域中，而将变化频繁的数据或不需要长久保存的数据放在单独的区域中，这样既可保证系统关键数据存储的安全性，又可保证非安全区存储器的实际擦写次数大于１００亿次，从而延长铁电存储器的实际使用寿命。 铁电存储器的特殊性在于每一次的读操作都会破坏原有的数据，因此必须在完成读操作后再执行一个回写过程，这样，每执行一次读操作，同样会减少一次读写寿命，为了最大限度地增加存储器的使用寿命，同时又不妨碍用户使用的灵活性，ＦＭ１８０８通常使用独特存储器组织。 ＦＭ１８０８的内部结构框图如图２所示。图中，ＦＭ１８０８的３２ｋｂｙｔｅ存储器阵列被划分为３２块，每块是１ｋ%26;#215;８，该１ｋ%26;#215;８的每个块包括２５６行和４列，地址线Ａ０～Ａ７对行选择译码，Ａ８～Ａ９对列选择译码，由于每访问一行都将减少一次寿命，因此，采用此种排列方案可很容易地在一个块内均匀进行周期读写，例如２５６个字节的数据无须两次访问同一行即可被顺序访问，而一个完整的１ｋ%26;#215;８被读或写仅需４个周期，图３给出了ＦＭ１８０８中一个１ｋ%26;#215;８存储器块的结构图（存储器块４）。 ＦＭ１８０８使用Ａ１０～Ａ１４高位地址线来选择３２个不同的存储器块，由于存储器每行不能超过块的界限，因此读写操作频率不同的数据应放在不同的块中。 ３．２ 读操作 ＦＭ１８０８的功能真值表如表２所示。 表2 FM1808功能真值表 CE OE WE 方 式 功 能 1 X X 非选 芯片未选中 1 1 1 写 DQ～07的内容写入40A～14地址单元 0 1 0 读 将A0～A14地址单元内容输出到DQ～07 ↓ X X 锁存 CE的下降沿锁定地址数据 读操作一般在ＣＥ下降沿开始，这时地址位被锁存，存储器读周期开始，一旦开始，应使ＣＥ保持不变，一个完整的存储器周期可在内部完成，在访问时间结束后，总线上的数据变为有效。 当地址被锁存后，地址值可在满足保持时间参数的基础上发生改变，这一点不象ＳＲＡＭ，地址被锁存后改变地址值不会影响存储器的操作。 ３．３ 写操作 ＦＭ１８０８写与读通常发生在同一时间间隔，ＦＭ１８０８的写操作由ＣＥ和ＷＥ控制，地址均在ＣＥ的下降沿锁存。ＣＥ控制写操作时，ＷＥ在开始写周期之前置０，即当ＣＥ有效时，ＷＥ应先为低电平。ＦＲＡＭ没有写延时，读与写访问时间是一致的，整个存储器操作一般在一个总线周期出现。因此，任何操作都能在一个写操作后立即进行，而不象Ｅ２ＰＲＯＭ需要通过判断来确定写操作是否完成。 ３．４ 充电操作 预充电操作是准备一次新访问存储器的一个内部条件，所有存储器周期包括一个存储器访问和一个预充电，预充电在ＣＥ脚为高电平或无效时开始，它必须保持高电平至少为最小的预充电时间，由于预充电在ＣＥ上升沿开始，这使得用户可决定操作的开始，同时该器件有一个ＣＥ为低电平必须满足的最大时间规范。 ４　ＦＭ１８０８的设计及应用要点 ＦＭ１８０８的管脚排列和ＳＲＡＭ ６２２５６兼容，它和使用并行ＳＲＡＭ及ＮＶ－ＳＲＡＭ一样方便，但是也应该注意到ＦＭ１８０８和ＳＲＡＭ及ＮＶ－ＳＲＡＭ之间的区别。ＦＭ１８０８在下降沿锁存每个地址，这样就允许在每一次访问存储器之后，改变地址总线，同时在ＣＥ下降沿锁存每个地址，图４给出了ＦＭ１８０８与ＳＲＡＭ存储器访问的时序对比。 由图４可以看出：ＦＭ１８０８的每一次访问都必须保证ＣＥ由高到低的跃变，这是ＦＭ１８０８与ＳＲＡＭ唯一的不同，ＣＥ每次访问均须选通地址的原因有两个，其一是要锁存新地址，其二是当ＣＥ为高电平时，建立铁电存储器必须预充电，因此，在应用设计时必须改变ＣＥ的选通方式，以保证在时序上满足ＦＭ１８０８访问存储器的需要，同时还应注意存储器寻址空间和ＣＥ时序的兼容。这里以ＭＣＳ－５１单片机为例给出解决此问题的方法，由于ＭＣＳ－５１单片机的ＡＬＥ引脚为地址锁存允许信号，因此，访问单片机外部存储器时，该脚将输出一个负跳沿的脉冲以用于锁存１６位地址的低８位。由于每访问一次外部数据存储器，该脉冲都将出现一次，故可利用ＡＬＥ信号每访问一次改变一个周期的特点。ＡＬＥ和ＦＭ１８０８的片选信号Ｐ２．７相或即可得到ＦＭ１８０８要求的访问时序。ＡＴ８９Ｃ５２单片机与ＦＭ１８０８的硬件连接如图４所示。除了时序配合之外，ＦＭ１８０８在应用时还应注意电源、分块以及使用寿命等问题。 ４．１ 电源监控 当使用ＳＲＡＭ加后备电池的方式存储数据时，为了能够在掉电时切换为电池供电而必须监控电源电压，同时为了减少电池损耗，在掉电之后，用户不允许访问ＳＲＡＭ，这样，用户可能会在突然没警告或提示的情况下掉电而无法访问存储器。而ＦＲＡＭ存储器则无须上述电源监控系统，ＦＲＡＭ存储器在任何电源电压下都不会被终止访问，当然在对数据的安全性要求很高的应用场合，当电源降至一定值时，可阻止处理器访问存储器以提高数据存储的安全性。 ４．２ 分块使用 由前面的存储原理可知，ＦＭ１８０８在内部被分为３２个块，其中每块为１ｋ字节，应用时除了应注意按数据访问的频繁程度分为固定数据区和临时数据区外，还应注意数据的存放也必须分块使用，即对前后有联系的数据存放在ＦＭ１８０８内部的一个行中或一个块中，因为ＦＭ１８０８是以读写一行（２５６个字节）来计算一次擦写的，因此，如果关联的数据被存放在不同的行或块中，则读写数据操作时就要频繁地切换不同的行或块，这样就会降低其正常的存储寿命。 图5 ４．３ 使用寿命 尽管铁电存储器的寿命是有限的，且读或写操作都会影响到其读写寿命，但是ＦＭ１８０８存储器具有１００亿次的读写寿命，即使是每秒钟进行３０次的读写，当读写寿命到时也须要１０年的时间，因此一般对数据读写操作频率不是特别高的应用场合，可不用特别考虑其读写寿命。 ５　结束语 ＦＭ１８０８铁电存储器既具有ＲＡＭ的快速写入特性，又具有ＲＯＭ的非易失性，因此，比现阶段广泛用的Ｅ２ＰＲＯＭ、ＩＳＰ ＦＬＡＳＨ及锂电池不挥发ＮＶ－ＳＲＡＭ更具优势，也正是由于其具有这些特点，该器件可广泛应用于对数据存储的安全性及可靠性要求极高的应用场合，如门禁考勤系统、测量和医疗仪表、非接触式智能卡、税控收款机、预付费电度表或复费率电度表及水表、煤气表等应用场合。同时该器件以其相对低廉的价格及更高的数据存储可靠性成为ＮＶ－ＳＲＡＭ的理想替代产品，该类型存储器在高可靠数据存储领域会获得越来越广泛的应用。