鐵電存儲器(FRAM)具有擦寫次數(shù)多，讀寫速度快，抗干擾強，功耗低，讀寫無限次，數(shù)據(jù)不丟失等優(yōu)點，已廣泛應用于儀器儀表、航空航天、工業(yè)控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡設備、自動取款機等領(lǐng)域。美國Ramtron公司鐵電存儲器的核心技術(shù)是采用鐵電晶體材料。這一特殊材料使鐵電存儲器同時擁有隨機存取記憶體(RAM)和非易失性存儲器特性。與EEPROM和Flash非易失性存儲器相比，F(xiàn)RAM在單片容量、單元密度、寫入速度、擦除速度、功耗、成本等方面具有更大的優(yōu)勢，因此，F(xiàn)RAM是大容量、高密度數(shù)據(jù)存儲的理想方案。
2 FM25H20簡介
FM25H20是美國Ramton公司的2 MB串行非易失性的FRAM，其工作電壓為2．7~3．6 V，采用先進的130 nm CMOS工藝，8引腳TDFN封裝，具有256 KBx8位存儲結(jié)構(gòu)，總線讀寫速度高達40 MHz，無限次讀寫和低工作電流，并具有10年數(shù)據(jù)保存能力。此外，F(xiàn)M25H20還包含一個工業(yè)標準SPI接口，優(yōu)化FRAM高速寫入能力。并具有硬件和軟件寫保護功能。防止意外寫入和數(shù)據(jù)破壞。該串行FRAM具有低工作電流，在40 MHz讀寫速度下，工作電流小于10 mA，待機時為80μA。FM25H20與其他同類串行Flash存儲器引腳兼容，但性能遠優(yōu)于Flash存儲器。
3 FM25H20的工作原理
3．1 存儲器結(jié)構(gòu)
FM25H20是由存儲陣列、數(shù)據(jù)輸入輸出緩沖和鎖存、命令寄存器、非易失性數(shù)據(jù)寄存器、地址鎖存與譯碼、指令譯碼、時鐘信號發(fā)生器、控制邏輯、寫保護等模塊構(gòu)成。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖l所示。外部電路通過8位I／O端口分時訪問FM25H20的命令寄存器、地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器，完成對其內(nèi)部存儲器的訪問。
3．2 SPI工作方式
FM25H20是串行FRAM，其內(nèi)部存儲結(jié)構(gòu)為256 KB×8位，地址范圍為00000H~3FFFFH，采用24位尋址方式。FM25H20尋址遵循SPI協(xié)議，該協(xié)議包括片選S，操作碼C和2字節(jié)地址D。FM25H20支持SPI工作方式0和工作方式3。使用時，在S信號的下降沿時，根據(jù)時鐘總線和數(shù)據(jù)總線的狀態(tài)確定FM25H20的工作方式。SPI工作方式O和工作方式3的時序圖分別如圖2和圖3所示。
3．3 操作指令
FM25H20的SPI協(xié)議由操作指令控制。當片選信號S有效時(S=0)，F(xiàn)M25H20操作指令的第一個字節(jié)為命令字，緊接其后的是1l位有效地址和傳輸數(shù)據(jù)。FM25H20操作指令共有7條，分為3類如表1所示。其中，第一類指令為不接任何操作數(shù)，用于完成某一特定功能。包括WREN和WRDI指令；第二類指令為接一個字節(jié)．用于對狀態(tài)寄存器的操作，包括RDSR和WRSR指令；第三類指令可對存儲器進行讀寫操作，該類指令后緊接存儲器地址和一個或多個地址數(shù)據(jù)，包括READ和WRITE指令。所有的指令，其地址和數(shù)據(jù)都是以MSB(最高有效位)在前的方式傳輸。
3．4 狀態(tài)寄存器和寫保護
FM25H20具有硬件和軟件雙重寫保護功能。首先，在寫操作之前，必須先用WREN指令對寫使能鎖存器置位；其次，在寫操作允許的情況下．設置狀態(tài)寄存器，使WPEN位置l并且使W引腳為低電平。FM25H20的狀態(tài)寄存器格式如表2所列。其中，bitO，bit4，bit5恒為0，bit6為l'bit7、bit3和bit2為寫保護控制位；bitl是寫使能鎖存器狀態(tài)位；bit3和bit2為存儲器存儲區(qū)間(塊)的寫保護位。
3．5 寫操作
FM25H20寫操作先發(fā)送WREN指令，再發(fā)送WRITE指令。WRITE指令后接3個字節(jié)的地址，這24位地址中的高6位為任意碼，低18位地址為要寫入的首字節(jié)數(shù)據(jù)的有效地址，該地址后面為要寫入的數(shù)據(jù)。若輸人的數(shù)據(jù)大于1個，那么第一個數(shù)據(jù)后的數(shù)據(jù)存儲地址由FM25H20內(nèi)部依次增加給出。當?shù)刂愤_到3FFFFH時，地址計數(shù)器置為00000H，輸入數(shù)據(jù)是以最高有效位(MSB)在前，最低有效位(LSB)在后的順序傳輸?shù)摹?br />3．6 讀操作
在S信號下降沿發(fā)送READ指令，在READ指令后緊接發(fā)送3個字節(jié)的地址。當發(fā)送完指令和地址后，可忽略數(shù)據(jù)線操作。數(shù)據(jù)總線等待8個時鐘信號，依次讀取數(shù)據(jù)。當?shù)刂愤_到3FFFFH時，地址計數(shù)器置為00000H，輸入數(shù)據(jù)是以MSB在前，LSB在后的順序傳輸?shù)摹?br />
4 FM25H20的典型應用
4．1 FM25H20與通用單片機的連接
AT89S52是一款低功耗、8位高性能CMOS單片機，片內(nèi)含8 K字節(jié)ISP的可反復擦寫l 000次的Flash只讀程序存儲器。該器件采用高密度，非易失性存儲技術(shù)．兼容標準MCS一5l指令系統(tǒng)及80C5l引腳結(jié)構(gòu)。內(nèi)部集成有通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元。圖4給出AT89S52與FM25H20的接口電路圖。
AT89S52對FM25H20的寫操作流程圖如圖5所示。該項流程圖適用于一般單片機對FM25H20的寫操作．FM25H20存儲數(shù)據(jù)的首址是10000H，所以可在FM25H20的10000H~3FFFFH地址范圍內(nèi)存儲控制系統(tǒng)的重要參數(shù)．而將00000H~0FFFFH地址留給用戶。FM25H20數(shù)據(jù)首址可根據(jù)具體應用進行修改。
4．2 FM25H20與帶SPI總線的單片機的連接
ATmegal69V是基于增強的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。該器件片內(nèi)含有3個模式靈活的定時器，計數(shù)器(T／C)、片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART、具有起始條件檢測器的通用串行接口、8路10位A／D轉(zhuǎn)換器、具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器、SPI串行端口、16 K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash、512字節(jié)EEPROM、l K字節(jié)SRAM等。ATmegal69V和F。M25H20可通過SPI總線傳輸數(shù)據(jù)和控制命令。其接口電路如圖6所示。
5 結(jié)語
介紹了FM25H20型FRAM的主要特性和使用方法，給出了單片機與FM25H20的接口電路圖和對FM25H20的寫操作流程圖，歸納出任何一款8位數(shù)據(jù)總線寬度在計算機系統(tǒng)使用FM25H20的方法。由于鐵電存儲器在數(shù)據(jù)存儲方面的出色性能，因此，它可應用于如水表，電表，煤氣表，門禁系統(tǒng)，醫(yī)療設備，自動取款機，汽車記錄儀，電子儀器等儀器儀表中。隨著技術(shù)發(fā)展，鐵電存儲器具有良好的應用前景。
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