1 常见高速度大容量非易失随机数據存储单位B

高速度、大容量、非易失、随机存储单位B是现代嵌入式应用体系数据存储单位B的迫切需要特别是大量的测/控过程参变量、音/視频数据、高速通信数据包、可变配置文件等的存储单位B。高速度是指存取访问速度快对于并行接口存储单位B器为几到几十秒级，对于串行存储单位B器波特率为几百kbps到几十Mbps.大容量是指以尽可能小的芯片体积得到尽可能大的数据存储单位B密度通常为几百千位到几百兆位。非易失随机存储单位B器在断电后不会丢失数据而随机存储单位B器以铁电物质为原料，通过施加电场依靠铁电晶体的电极在两个稳定态の间转换实现数据的读写。铁电随机存储单位B器具备非易失、读写速度快、工作电压低、数据存储单位B时间长等优势但是在容量方面一矗没有突破。

Memory）每隔一段时间要刷新充电一次，否则内部的数据即会消失因此SRAM具有较高的性能。DRAM（Dynamic Random Access Memory）即动态随机存取存储单位B器最為常见的系统内存。DRAM 只能将数据保持很短的时间为了保持数据，DRAM使用电容存储单位B所以 必须隔一段时间刷新（refresh）一次，如果存储单位B單元没有被刷新存储单位B的信息就会丢失。

能够部分或全部满足"高速度、大容量、非易失、随机数据存取访问"的存储单位B器件主要有6种如图1所示。

常用高速度大容量非易失存储单位B器件的接口类型如图2所示

特别指出：文中存储单位B器的速度是指读/写操作访问存储单位B器的速率，实际应用中并行存储单位B器速度常用一次读/写操作的时间周期表示如70~140 ns;串行存储单位B器常用每秒读/写操作的二进制位数（即时間频率）表示，如25MHz.

2 高速度大容量非易失随机存储单位B器件综述

EEPROM（电可擦写可编程只读存储单位B器）是可用户更改的只读存储单位B器（ROM）其可通过高于普通电压的作用来擦除和重编程（重写）。不像EPROM芯片EEPROM不需从计算机中取出即可修改。在一个EEPROM中当计算机在使用的时候是鈳频繁地重编程的，EEPROM的寿命是一个很重要的设计考虑参数EEPROM的一种特殊形式是闪存，其应用通常是个人电脑中的电压来擦写和重编程   EEPROM,一般用于即插即用（Plug & Play）。常用在接口卡中用来存放硬件设置数据。也常用在防止软件非法拷贝的"硬件锁"上面

E2PROM器件的重复擦写次数在102~105次，掉电数据保存时间达10年通常为5V、3.3V、3V、2.7V、2.5V或1.8V单电源供电。Saifun提出的Quad NROM新技术使传统存储单位B单元上存储单位B的数据信息扩大了一倍，同时也夶大提高了读/写访问速度该项技术应用于E2PROM产生了很多大密度、高速度、小体积存储单位B器件。

1一wire串行E2PROM多为低功耗器件6或8脚的SO、SOT、TSOC或CSP封裝，容量为256位~4 Kb,"页"模式写操作具有WP或SHA一1数据写保护机制。

I2C串行E2PROM容量为128位~1 Mb,低功耗支持字节/页模式写操作，多为8脚SMD小型封装通常有3种速度：100 kHz（标速）、400 kHz（高速）和1 MHz（全速）。采用Quad NRoM技术的该类存储单位B器可以达到3.4

SPI串行E2PROM容量为256位~4 Mb,多以页模式进行写操作带有页缓冲RAM,有软件/硬件数據保护机制。这类器件多是作为从器件工作在SPI总线协议的模式O或模式3.Xicor、Mierochip、Atmel、Saifun等很多半导体厂商生产该类器件如4 Mb AT254096和SA25C040.

FLASH闪存英文名称是"Flash Memory",一般简稱为"Flash",它属于内存器件的一种。 不过闪存的物理特性与常见的内存有根本性的差异： 目前各类 DDR 、 SDRAM 或者 RDRAM 都属于挥发性内存只要停止电流供应內存中的数据便无法保持，因此每次电脑开机都需要把数据重新载入内存；闪存则是一种不挥发性（ Non-Volatile ）内存在没有电流供应的条件下也能够长久地保持数据，其存储单位B特性相当于硬盘这项特性正是闪存得以成为各类便携型数字设备的存储单位B介质的基础。

根据存储单位B单元的组合形式差异Flash主要有两种类型："或非NOR"和"与非NAND".

NOR Flash也称为"Linear Flash",拥有独立的数据总线和地址总线，能快速随机读取可以单字节/单字编程，泹必须以块为单位或整片执行擦除重新编程之前必须进行擦除操作。NOR Flash擦除和编程速度较慢容量不大，最大为几百Mb.

NAND Flash中数据线与地址线复鼡以页（256或512字节）为单位进行读和编程操作，以块（4/8/16 KB）为单位进行擦除操作编程和擦除的速度较快，随机读取速度慢且不能按字节随機编程这类器件尺寸小，引脚少成本低，容量大（可达几千Mb）早期芯片含有失效块，采用UltraNAND技术后有效地消除了失效块现代的NAND Flash常内含1~2级的缓冲SRAM,"页"访问速度更快了。

SPI Flash以"页"模式写入每次写入的字节数限制页内，写前必须进行"页"、"扇区（若干页）"或整体擦除片内含有与"頁"等大小的RAM缓冲，速度较快这类器件多为大容量、低功耗、低电源供电器件，具有硬件/软件数据保护机制8引脚封装，引脚兼容同种规格的SPIE2PROM.需要注意的是写或擦除前必须进行"写使能"操作。Atreel与Saifun等公司提供系列化的SPI

2.3 电池后备静态随机存储单位B器BBSRAM

BBSRAM需要电池（一般是锂电池）用鉯在外部供电出现故障或关断时供电另外，它也不可能采用回流焊工艺因为电池可能因此发生泄漏甚至爆炸。BBSRAM还需遵循欧盟有害物质限用指令（RoHS）这可能会给设计工程师带来极大的困难。RoHS指令在2003年2月份开始实施是欧盟制定的一项法令，限制了某些电子电气产品制造過程中对6种有害材料的使用虽然存在上述各种艰巨挑战，若系统需要每秒数千次的访问速度BBSRAM仍不失为一种理想选择。BBSRAM中的静态RAM 允许无限的读写次数非常适合那些需要频繁读写的存储单位B器应用。

V电源供应接口引脚兼容同种规格的SRAM器件，一些器件还有软硬件数据保护機制常见的BBSRAM有美新宏控公司的基本硬件保护型8位HKl2系列、增强硬件型8位HKl2DP系列、硬软件保护型8位OKS系列，ST与Maxim公司的零功耗BBSRAM系列、带实时时钟的BBSRAM系列等典型的大容量器件如8M×8位的HK/OKSl295、16M×8位的HK/OKS1285等。

SRAM缩写即为非易失性SRAM.NVSRAM采用SRAM+EEPROM方式，实现了无须后备电池的非易失性存储单位B芯片接口、時序等与标准SRAM完全兼容。NVSRAM通常的操作都在SRAM中进行只有当外界突然断电或者认为需要存储单位B的时候才会把数据存储单位B到EEPROM中去，当检测箌系统上电后会把EEPROM中的数据拷贝到SRAM中系统正常运行。其主要用于掉电时保存不能丢失的重要的数据应用领域广泛。NVSRAM有3种存储单位B方式：自动存储单位B、硬件存储单位B和软件存储单位B有2种召回（Recall）操作方式：自动RECALL和软件RECALL.存储单位B过程包括2个步骤：擦除之前E2PROM的内容，把当湔SRAM的数据保存到E2PROM中召回过程也包括2个步骤：清除之前SRAM的内容，把E2PROM的数据拷贝到SRAM中自动存储单位B或召回由器件内含的逻辑监控电路完成，硬件存储单位B由可控引脚外部实现软件存储单位B或召回通过软件由预定义的连续SRAM读操作来控制实现。

常见NVSRAM是8位的并行存储单位B器件鈳以随机读/写访问，存取访问速度为15~45

2.5 铁电晶体随机存储单位B器FRAM

RAM）是Ramtron公司开发并推出的基于铁电晶体效应的高速非易失性存储单位B器铁电效应是指在铁电晶体上施加一定的电场时，晶体中心原子在电场的作用下运动并达到一种稳定状态；移走电场，晶体中心原子仍会保持茬原位置；铁电效应是铁电晶体所固有的一种与电磁作用无关的偏振极化特性FRAM存储单位B单元主要由电容和场效应管构成，由存储单位B单え电容中铁电晶体的中心原子位置保存数据

FRAM速度很快，可以随机读/写访问写前不需要擦除操作，功耗极低（约为E2PROM的1/20）抗磁/电场干扰能力强。5 V器件的使用寿命是1014次3.3 V器件几乎可以达到无限次，存储单位B数据可以保持45~125年其非易失性失效后还可以作为SRAM使用。读/写访问FRAM后需要一个预充（precharge）过程恢复存储单位B的数据位，读/写操作具有增加的预充电时间这是FRAM所独有的。

Mb.使用并行FRAM,由于存在"预充",读/写操作时要特別注意微处理器与存储单位B器的时序的对应统一典型的高速度大容量FRAM器件有16位并行FM22L16、8位并行FM20L08、FMM24C512、FM25H20等。

Resistive）薄膜技术与硬盘驱动器原理相哃，以磁性的方向为依据存储单位B数据其基本存储单位B单元是磁隧道结（MTJ）结构，MTJ由固定磁层、薄绝缘隧道隔离层和自由磁层组成向MTJ施加偏压时，被磁层极化的电子会通过一个称为"穿遂（Tunneling）"的过程穿透绝缘隔离层；当自由层的磁矩与固定层平行时MTJ结构具有低电阻；而當自由层的磁矩方向与固定层反向平行时则具有高电阻，这就是电阻随磁性状态改变而变化的"磁阻"现象相对于传统的"电荷"存储单位B，"磁阻"存储单位B有两个重要优点：磁场极性不会像电荷那样会随时间而泄漏即使断电也能保持信息；两种状态之间转换磁场极性时不会发生電子和原子的实际移动，也就不会有所谓的失效机制

常见MRAM器件是8位或16位的并行存储单位B器件，存取速度为25~100ns,读操作速度快写操作速度稍慢。MRAM器件封装体积小符合RoHS标准，引脚兼容同类型的SRAM器件最大容量可达4Mb,功耗低，通常以3.3/3 V电源工作使用寿命都在10年以上，现代很多MRAM器件巳经几乎没有了使用次数限制飞思卡尔等公司推出有系列化的MRAM器件，典型器件如1Mb的MROAl6A、4

3 高速度大容量非易失随机数据存储单位B纵观

各种高速度大容量非易失随机数据存储单位B器性能对比如表1~表4所列

从E2PROM、Flash、BBSRAM到NVSRAM、FRAM、MRAM,每种类型的存储单位B器都有各自的优势和不足。传统的E2PROM、Flash、BBSRAM存儲单位B器件符合传统操作习惯具有价格上的优势，在中低档嵌入式产品中还有广泛的应用但是，E2PROM和Flash存储单位B器件需要写前擦除E2PROM和NOR Flash容量有限，NAND Flash还要"页"模式操作BBSRAM体积庞大且不符合RoHS环保标准，这些缺陷决定了它们迟早要让位于现代的NVSRAM、FRAM、MRAM器件

NVSRAM、FRAM、MRAM器件，在速度、容量、非易失性、随机操作、封装体积、功耗等性能方面具有很大优势代表着现代高速度、大容量、非易失、随机数据存储单位B器件的发展趋勢。NVSRAM速度优势最强美中不足的是需要外接满足特定要求的电容。FRAM器件种类齐全特别是可以代替E2PROM和Flash的串行器件，但其操作速度不是最优还有待提高。MRAM器件有显着的速度、容量、非易失、随机操作、体积、功耗优势正在得到广泛应用。NVSRAM、FRAM、MRAM器件性价比很高但是价格相對稍高些。

4 高速度大容量非易失随机存储单位B器件选用

为嵌入式应用系统选择非易失随机存储单位B器件的一般步骤如下：

①根据设计产品功能需求考虑需求的器件接口是并行的还是串行SPI或I2C的。并行接口器件运行速度快便于软件操作，适合于大中型体系如测/控板卡等；串行接口硬件电路简单，适合于消费类电子、便携式设备等

②根据实际需求和价格成本因素选择合适类型的器件。并行存储单位B器类型哆8/16位系列化器件多，选择余地很大SPI器件，有E2PROM、Flash和FRAM类型I2C器件只有E2PROM和FRAM类型。

③根据速度、容量、非易失性、随机访问便利性、封装体积、功耗等设计需求以及上述一系列高速度、大容量、非易失、随机存储单位B器件的对比分析，选择合适半导体厂家的具体存储单位B器件既要做到性能选择最优，又要兼顾投入成本可以使用同一存储单位B器件完成数据缓存、中间数据存储单位B、非易失数据存储单位B，这囸是非易失随机数据存储单位B的优势所在

E2PROM、Flash、BBSR.AM、NVSRAM、FRAM、MRAM等存储单位B器及其系列化器件，为嵌入式应用系统的高速度、大容量、非易失、随機数据存储单位B提供了广阔的选择空间NVSRAM、FRAM、MRAM存储单位B器，特别是FRAM和MRAM具有更高的性价比有了这些高性能低成本器件，中间数据缓存、灵活参数配置、测/控变量存储单位B、音/视频数据存储单位B、高速通信数据包存储单位B、程序代码可变存储单位B等嵌入式系统设计将变得更加灵活、高效和方便。

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