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[導讀]文中介紹了FM1808的性能特點、引腳功能和工作原理。

    摘要:RAMTRON公司生產的并行接口高性能鐵電存儲器FM1808是NV-SRAM的理想替代產品。文中介紹了FM1808的性能特點、引腳功能和工作原理,同時重點介紹了鐵電存儲器的應用特點及與其它類型存儲器之間的應用差別,給出了FM1808的設計應用要點。

    關鍵詞:FRAM;并行接口;鐵電存儲器;FM1808

1 引言

目前,數據寫入頻率要求較高且要求掉電不丟失數據的應用領域,通常采用內部具有鋰電池的不揮發(fā)NV-SRAM作為存儲器件,但該類器件昂貴的價格又制約了其在價格敏感領域的應用,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題,同時又可得到更高的數據存儲可靠性。鐵電存儲器是RAMTRON公司的專利產品,該產品的核心技術是鐵電晶體材料,這一特殊材料使得鐵電存儲器產品同時擁有隨機存儲器(RAM)和非易失性存儲器(ROM)產品的特性。 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型的存儲器有三大特點:

●幾乎可以像RAM那樣無限次寫入;

●可隨總線速度寫入而無須任何寫等待時間;

●超低功耗。

這種鐵電存儲器FRAM克服了以往EEPROM和FLASH寫入時間長、擦寫次數少的缺點,其價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(tǒng)掉電后需要可靠保存程序及數據的應用領域,同時也是價格昂貴的不揮發(fā)鋰電NV-SRAM的理想替代產品。

2 性能特點及引腳定義

FM1808的主要特性如下:

●采用先進的鐵電技術制造;

●存儲容量為256k bit(即32k byte);

●讀寫壽命為100億次;

●掉電數據可保存10年;

●寫數據無延時;

●存取時間為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,各引腳功能說明見表1所列。

引腳號 性  質 引腳名稱

描  述

A0~A14 輸入 地址線 地址數據在CE的下降沿被鎖定
DQ0~DQ7 I/O 數據線  
CE 輸入 片選 當CE為低電平時,芯片被選中
OE 輸入 輸出使能 當OE為低電時,FM1808把數據送到總線;當OE為高,數據線為高阻態(tài)
WE 輸入 寫使能 當WE為低電平時,總線的數據寫入被A0~A14所決定的地址中
VDD 電源 電壓輸入 5V供電電壓
VSS 電源  

3?。疲停保福埃腹ぷ髟?/B>

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

3.1 存儲器的結構與讀寫壽命

FRAM可提供比其它非易失性存儲器高得多的寫持久性,然而在一定程度上,存儲器訪問次數的增加會造成FRAM操作出錯概率的增加,即寫入存儲器的數據會丟失,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次數達到100億次之后才會出現,因此,為了延長存儲器的讀寫壽命,可以根據數據讀寫的頻繁程度,將數據保存在不同的區(qū)域中以進行讀寫操作,例如對一些關鍵的數據如系統(tǒng)配置參數等,可以放在一個訪問次數較少的區(qū)域中,而將變化頻繁的數據或不需要長久保存的數據放在單獨的區(qū)域中,這樣既可保證系統(tǒng)關鍵數據存儲的安全性,又可保證非安全區(qū)存儲器的實際擦寫次數大于100億次,從而延長鐵電存儲器的實際使用壽命。

鐵電存儲器的特殊性在于每一次的讀操作都會破壞原有的數據,因此必須在完成讀操作后再執(zhí)行一個回寫過程,這樣,每執(zhí)行一次讀操作,同樣會減少一次讀寫壽命,為了最大限度地增加存儲器的使用壽命,同時又不妨礙用戶使用的靈活性,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1k×8,該1k×8的每個塊包括256行和4列,地址線A0~A7對行選擇譯碼,A8~A9對列選擇譯碼,由于每訪問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塊內均勻進行周期讀寫,例如256個字節(jié)的數據無須兩次訪問同一行即可被順序訪問,而一個完整的1k×8被讀或寫僅需4個周期,圖3給出了FM1808中一個1k×8存儲器塊的結構圖(存儲器塊4)。

FM1808使用A10~A14高位地址線來選擇32個不同的存儲器塊,由于存儲器每行不能超過塊的界限,因此讀寫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

CE OE WE 方  式

功    能

1 X X 非選 芯片未選中
1 1 1 DQ~07的內容寫入40A~14地址單元
0 1 0 將A0~A14地址單元內容輸出到DQ~07
X X 鎖存 CE的下降沿鎖定地址數據

讀操作一般在CE下降沿開始,這時地址位被鎖存,存儲器讀周期開始,一旦開始,應使CE保持不變,一個完整的存儲器周期可在內部完成,在訪問時間結束后,總線上的數據變?yōu)橛行А?/P>

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

3.3 寫操作

FM1808寫與讀通常發(fā)生在同一時間間隔,FM1808的寫操作由CE和WE控制,地址均在CE的下降沿鎖存。CE控制寫操作時,WE在開始寫周期之前置0,即當CE有效時,WE應先為低電平。FRAM沒有寫延時,讀與寫訪問時間是一致的,整個存儲器操作一般在一個總線周期出現。因此,任何操作都能在一個寫操作后立即進行,而不象E2PROM需要通過判斷來確定寫操作是否完成。

3.4 充電操作

預充電操作是準備一次新訪問存儲器的一個內部條件,所有存儲器周期包括一個存儲器訪問和一個預充電,預充電在CE腳為高電平或無效時開始,它必須保持高電平至少為最小的預充電時間,由于預充電在CE上升沿開始,這使得用戶可決定操作的開始,同時該器件有一個CE為低電平必須滿足的最大時間規(guī)范。

4?。疲停保福埃傅脑O計及應用要點

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(qū)別。FM1808在下降沿鎖存每個地址,這樣就允許在每一次訪問存儲器之后,改變地址總線,同時在CE下降沿鎖存每個地址,圖4給出了FM1808與SRAM存儲器訪問的時序對比。

    由圖4可以看出:FM1808的每一次訪問都必須保證CE由高到低的躍變,這是FM1808與SRAM唯一的不同,CE每次訪問均須選通地址的原因有兩個,其一是要鎖存新地址,其二是當CE為高電平時,建立鐵電存儲器必須預充電,因此,在應用設計時必須改變CE的選通方式,以保證在時序上滿足FM1808訪問存儲器的需要,同時還應注意存儲器尋址空間和CE時序的兼容。這里以MCS-51單片機為例給出解決此問題的方法,由于MCS-51單片機的ALE引腳為地址鎖存允許信號,因此,訪問單片機外部存儲器時,該腳將輸出一個負跳沿的脈沖以用于鎖存16位地址的低8位。由于每訪問一次外部數據存儲器,該脈沖都將出現一次,故可利用ALE信號每訪問一次改變一個周期的特點。ALE和FM1808的片選信號P2.7相或即可得到FM1808要求的訪問時序。AT89C52單片機與FM1808的硬件連接如圖4所示。除了時序配合之外,FM1808在應用時還應注意電源、分塊以及使用壽命等問題。

4.1 電源監(jiān)控

當使用SRAM加后備電池的方式存儲數據時,為了能夠在掉電時切換為電池供電而必須監(jiān)控電源電壓,同時為了減少電池損耗,在掉電之后,用戶不允許訪問SRAM,這樣,用戶可能會在突然沒警告或提示的情況下掉電而無法訪問存儲器。而FRAM存儲器則無須上述電源監(jiān)控系統(tǒng),FRAM存儲器在任何電源電壓下都不會被終止訪問,當然在對數據的安全性要求很高的應用場合,當電源降至一定值時,可阻止處理器訪問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個塊,其中每塊為1k字節(jié),應用時除了應注意按數據訪問的頻繁程度分為固定數據區(qū)和臨時數據區(qū)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內部的一個行中或一個塊中,因為FM1808是以讀寫一行(256個字節(jié))來計算一次擦寫的,因此,如果關聯(lián)的數據被存放在不同的行或塊中,則讀寫數據操作時就要頻繁地切換不同的行或塊,這樣就會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,且讀或寫操作都會影響到其讀寫壽命,但是FM1808存儲器具有100億次的讀寫壽命,即使是每秒鐘進行30次的讀寫,當讀寫壽命到時也須要10年的時間,因此一般對數據讀寫操作頻率不是特別高的應用場合,可不用特別考慮其讀寫壽命。

5 結束語

FM1808鐵電存儲器既具有RAM的快速寫入特性,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,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合,如門禁考勤系統(tǒng)、測量和醫(yī)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、煤氣表等應用場合。同時該器件以其相對低廉的價格及更高的數據存儲可靠性成為NV-SRAM的理想替代產品,該類型存儲器在高可靠數據存儲領域會獲得越來越廣泛的應用。

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