嵌入式系統(tǒng)的高速度大容量非易失隨機數(shù)據(jù)存儲

1 常見高速度大容量非易失隨機數(shù)據(jù)存儲
    高速度、大容量、非易失、隨機存儲是現(xiàn)代嵌入式應(yīng)用體系數(shù)據(jù)存儲的迫切需要，特別是大量的測／控過程參變量、音／視頻數(shù)據(jù)、高速通信數(shù)據(jù)包、可變配置文件等的存儲。高速度是指存取訪問速度快，對于并行接口存儲器為幾到幾十秒級，對于串行存儲器波特率為幾百kbps到幾十Mbps。大容量是指以盡可能小的芯片體積得到盡可能大的數(shù)據(jù)存儲密度，通常為幾百千位到幾百兆位。非易失是指存儲數(shù)據(jù)不會因上／掉電和外界干擾而變化消失。隨機存儲是指可以對數(shù)據(jù)存儲陳列的任何地址以任何大小存取訪問。顯然，還應(yīng)該做到形小、價廉、易用。
    面對這些需求，自然會想到SRAM(Static Random Access Memory，靜態(tài)隨機訪問存儲器)、DRAM(Dynamic RAM，動態(tài)存儲器)和Flash(Flash Memory，閃速存儲器)。SRAM速度快、存取訪問隨機、接口簡單、操作控制簡易，DRAM存儲容量大，F(xiàn)lash數(shù)據(jù)非易失。嵌入式應(yīng)用體系中需要的就是這些類型存儲器的優(yōu)勢綜合和缺陷回避的改進型或新型存儲器件。
    能夠部分或全部滿足“高速度、大容量、非易失、隨機數(shù)據(jù)存取訪問”的存儲器件主要有6種，如圖1所示。

    常用高速度大容量非易失存儲器件的接口類型如圖2所示。

    特別指出：文中存儲器的速度是指讀／寫操作訪問存儲器的速率，實際應(yīng)用中并行存儲器速度常用一次讀／寫操作的時間周期表示，如70～140 ns；串行存儲器常用每秒讀／寫操作的二進制位數(shù)(即時間頻率)表示，如25MHz。

2 高速度大容量非易失隨機存儲器件綜述
2．1 電擦除可編程存儲器E2PROM
    電擦除可編程只讀存儲器E2PROM(Electrically Erasable Programmable ROM)是基于浮柵型場效應(yīng)管的隧道效應(yīng)現(xiàn)象使浮柵帶電或不帶電從而進行數(shù)據(jù)存儲的。E2PROM器件具有非易失性，可隨時改寫。其工作方式有3種：讀、寫、擦除。讀操作速度很快，寫與擦除操作往往時間很長，常用“頁寫／擦除”形式，并用RAM緩沖以提高擦除速度，還有若干“頁”構(gòu)成的扇區(qū)擦除和整體擦除。
    E2PROM器件的重復(fù)擦寫次數(shù)在102～105次，掉電數(shù)據(jù)保存時間達10年，通常為5V、3．3V、3V、2．7V、2．5V或1．8V單電源供電。Saifun提出的Quad NROM新技術(shù)，使傳統(tǒng)存儲單元上存儲的數(shù)據(jù)信息擴大了一倍，同時也大大提高了讀／寫訪問速度。該項技術(shù)應(yīng)用于E2PROM產(chǎn)生了很多大密度、高速度、小體積存儲器件。
    常用E2PROM器件有8位并行的E。PROM和SPI、I2C、1-wire等串行E2PROM。器件命名常帶“C”，如“25C”。并行E2PROM容量在2～512 KB，速度為100～300 ns，如Atmel公司的5 V／512 KB的AT28C020、3．3 V／128 KB 的 AT28LV010、 3 V／64 KB 的AT28BV256，以及Mcrochip公司的28C04／16／17／32／64A等。
    1一wire串行E2PROM多為低功耗器件，6或8腳的SO、SOT、TSOC或CSP封裝，容量為256位～4 Kb，“頁”模式寫操作，具有WP或SHA一1數(shù)據(jù)寫保護機制。
    Maxim公司供應(yīng)不同規(guī)格的該類器件，型號為DS243x，如電源電壓為2．8～5．5 V、容量為1 Kb的DS2432。
    I2C串行E2PROM容量為128位～1 Mb，低功耗，支持字節(jié)／頁模式寫操作，多為8腳SMD小型封裝。通常有3種速度：100 kHz(標(biāo)速)、400 kHz(高速)和1 MHz(全速)。采用Quad NRoM技術(shù)的該類存儲器可以達到3．4 MHz，不少I2C串行E2PROM具有硬件或軟件數(shù)據(jù)保護機制。Microchip、Atmel、Firechild、Saifun、Samsung、Infineon、Catalyst等很多半導(dǎo)體廠商生產(chǎn)I2C這類器件。
    SPI串行E2PROM容量為256位～4 Mb，多以頁模式進行寫操作，帶有頁緩沖RAM，有軟件／硬件數(shù)據(jù)保護機制。這類器件多是作為從器件工作在SPI總線協(xié)議的模式O或模式3。Xicor、Mierochip、Atmel、Saifun等很多半導(dǎo)體廠商生產(chǎn)該類器件，如4 Mb AT254096和SA25C040。
2．2 閃速存儲器Flash
    Flash是在E2PROM的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，它通過向多晶硅浮柵極充電至不同的電平來對應(yīng)不同的閾電壓而代表不同的數(shù)據(jù)。Flash存儲單元有2種基本類型結(jié)構(gòu)：單級單元SLC(Single-Level Cell)和多級單元MLC(Multi-Level Cell)。傳統(tǒng)的SLC存儲單元只有2個閾電壓(O／1)，只能存儲1位信息。MLC的每個存儲單元中有4個閾電壓(OO／01／10／11)，可以存儲2位信息；MLC技術(shù)能夠得到大的存儲容量，Saifun的Quad NROM技術(shù)也是用類似的機理提高存儲容量的。
    根據(jù)存儲單元的組合形式差異，F(xiàn)lash主要有兩種類型：“或非NOR”和“與非NAND”。
    NOR Flash也稱為“Linear Flash”，擁有獨立的數(shù)據(jù)總線和地址總線，能快速隨機讀取，可以單字節(jié)／單字編程，但必須以塊為單位或整片執(zhí)行擦除，重新編程之前必須進行擦除操作。NOR Flash擦除和編程速度較慢，容量不大，最大為幾百Mb。
    NAND Flash中數(shù)據(jù)線與地址線復(fù)用，以頁(256或512字節(jié))為單位進行讀和編程操作，以塊(4／8／16 KB)為單位進行擦除操作，編程和擦除的速度較快，隨機讀取速度慢且不能按字節(jié)隨機編程。這類器件尺寸小，引腳少，成本低，容量大(可達幾千Mb)。早期芯片含有失效塊，采用UltraNAND技術(shù)后有效地消除了失效塊?，F(xiàn)代的NAND Flash常內(nèi)含1～2級的緩沖SRAM，“頁”訪問速度更快了。
    常用Flash是8位或16位的并行存儲器和SPI接口，存儲器，器件標(biāo)識多含“F”，如“25Fxxx”。并行Flash的速度通常為40～150 ns，使用壽命在103～106次。Intel、Sharp、Toshiba等公司生產(chǎn)系列化的并行NOR Flash，Samsung、Toshiba、Fujistu、Sandisk等公司生產(chǎn)系列化的并行NAND Flash。并行Flash中，以NAND型應(yīng)用最多。
    SPI Flash以“頁”模式寫入，每次寫入的字節(jié)數(shù)限制頁內(nèi)，寫前必須進行“頁”、“扇區(qū)(若干頁)”或整體擦除，片內(nèi)含有與“頁”等大小的RAM緩沖，速度較快。這類器件多為大容量、低功耗、低電源供電器件，具有硬件／軟件數(shù)據(jù)保護機制，8引腳封裝，引腳兼容同種規(guī)格的SPIE2PROM。需要注意的是，寫或擦除前必須進行“寫使能”操作。Atreel與Saifun等公司提供系列化的SPI Flash，容量可達4 Mb。Atmel器件，派生自E2PROM，頻率可達33 MHz；Saifun器件，采用其獨特的Quad NROM技術(shù)，頻率可達50 MHz。SPI Flash在便攜式消費電子中應(yīng)用廣泛。典型的高速度大容量SPI Flash如AT25F4096、SA25F040等。
2．3 電池后備靜態(tài)隨機存儲器BBSRAM
    電池后備靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器BBSRAM(Battery Backup SRAM)，其基本構(gòu)成形式是“SRAM+微型鋰電池”。正常工作時SRAM由外部電源供電并可對內(nèi)嵌的鋰電充電，掉電后芯片內(nèi)含的控制與保護邏輯電路能迅速、可靠地把SRAM切換到鋰電池供電，可以保持SRAM數(shù)據(jù)長達10年，從而做到SRAM數(shù)據(jù)不易失。BBSRAM的正常操作就是對SRAM的直接訪問，讀／寫速度快，隨機性強。BBSRAM的缺陷是：封裝體積大，需要占用較大的PCB(Printed Circuit Board)空間；同時由于BBSRAM使用鋰電，存在著可能的電池泄漏等環(huán)保問題，不符合RoHS標(biāo)準。
    常用的BBSRAM是8位的并行存儲器件，讀／寫訪問速度為50～150 ns，容量可達128 Mb，5／3．3 V電源供應(yīng)，接口引腳兼容同種規(guī)格的SRAM器件，一些器件還有軟硬件數(shù)據(jù)保護機制。常見的BBSRAM有美新宏控公司的基本硬件保護型8位HKl2系列、增強硬件型8位HKl2DP系列、硬軟件保護型8位OKS系列，ST與Maxim公司的零功耗BBSRAM系列、帶實時時鐘的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。
2．4 非易失靜態(tài)隨機存儲器NVSRAM
    非易失靜態(tài)隨機存儲器NVSRAM(None—VolatileSRAM)，采用SRAM+E2PROM方式，正常的讀／寫操作都在SRAM中進行，只有在掉電或者需要存儲時才會把數(shù)據(jù)存儲到E2PROM中去。NVSRAM通過一個外接電容來完成上電和掉電時的數(shù)據(jù)召回和存儲：掉電時由電容放電提供電源，把SRAM里面的數(shù)據(jù)拷貝到E2PROM中；檢測到系統(tǒng)上電后再把E2PROM中的數(shù)據(jù)拷貝到SRAM中，使系統(tǒng)正常運行。NVSRAM有3種存儲方式：自動存儲、硬件存儲和軟件存儲。有2種召回(Recall)操作方式：自動RECALL和軟件RECALL。存儲過程包括2個步驟：擦除之前E2PROM的內(nèi)容，把當(dāng)前SRAM的數(shù)據(jù)保存到E2PROM中。召回過程也包括2個步驟：清除之前SRAM的內(nèi)容，把E2PROM的數(shù)據(jù)拷貝到SRAM中。自動存儲或召回由器件內(nèi)含的邏輯監(jiān)控電路完成，硬件存儲由可控引腳外部實現(xiàn)，軟件存儲或召回通過軟件由預(yù)定義的連續(xù)SRAM讀操作來控制實現(xiàn)。
    常見NVSRAM是8位的并行存儲器件，可以隨機讀／寫訪問，存取訪問速度為15～45 ns，容量可達4Mb，引腳接口兼容同類型的SRAM。NVSRAM器件體積小，占用PCB空間小，通常有SOIC和SSOP兩種封裝，5／3．3V電源供電，器件使用壽命在10年以上，片內(nèi)的E2PROM可以保存數(shù)據(jù)100年。Cypress、Maxim等公司都有系列化的NVSRAM器件，典型的NVSRAM器件如CYl4E256L(32K×8位)、DSl350Y／AB(512K×8位)等。
2．5 鐵電晶體隨機存儲器FRAM
    鐵電晶體隨機存儲器FRAM(Ferroelectric RAM)是Ramtron公司開發(fā)并推出的基于鐵電晶體效應(yīng)的高速非易失性存儲器。鐵電效應(yīng)是指在鐵電晶體上施加一定的電場時，晶體中心原子在電場的作用下運動，并達到一種穩(wěn)定狀態(tài)；移走電場，晶體中心原子仍會保持在原位置；鐵電效應(yīng)是鐵電晶體所固有的一種與電磁作用無關(guān)的偏振極化特性。FRAM存儲單元主要由電容和場效應(yīng)管構(gòu)成，由存儲單元電容中鐵電晶體的中心原子位置保存數(shù)據(jù)。
    FRAM速度很快，可以隨機讀／寫訪問，寫前不需要擦除操作，功耗極低(約為E2PROM的1／20)，抗磁／電場干擾能力強。5 V器件的使用壽命是1014次，3．3 V器件幾乎可以達到無限次，存儲數(shù)據(jù)可以保持45～125年，其非易失性失效后還可以作為SRAM使用。讀／寫訪問FRAM后，需要一個預(yù)充(precharge)過程恢復(fù)存儲的數(shù)據(jù)位，讀／寫操作具有增加的預(yù)充電時間，這是FRAM所獨有的。
    主要的FRAM有8／16位的并行FRAM和I2C、SPI接口的串行FRAM。FRAM器件以FMxxx開頭，其封裝和引腳分布與同類SRAM、E2PROM器件兼容。I2CFRAM的速度可達1MHz，容量可達512 Kb。SPIFRAM的速度可達40 MHz，容量可達2 Mb。并行FRAM的速度可達55 ns，讀／寫周期為110 ns，容量可達4 Mb。使用并行FRAM，由于存在“預(yù)充”，讀／寫操作時要特別注意微處理器與存儲器的時序的對應(yīng)統(tǒng)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。
2．6 磁阻式隨機存儲器MRAM
    磁阻性隨機存儲器MRAM(Magnetic-ResistiveRAM)基于GMR(Giant Magneto Resistive)薄膜技術(shù)，與硬盤驅(qū)動器原理相同，以磁性的方向為依據(jù)存儲數(shù)據(jù)。其基本存儲單元是磁隧道結(jié)(MTJ)結(jié)構(gòu)，MTJ由固定磁層、薄絕緣隧道隔離層和自由磁層組成。向MTJ施加偏壓時，被磁層極化的電子會通過一個稱為“穿遂(Tunneling)”的過程，穿透絕緣隔離層；當(dāng)自由層的磁矩與固定層平行時MTJ結(jié)構(gòu)具有低電阻；而當(dāng)自由層的磁矩方向與固定層反向平行時則具有高電阻，這就是電阻隨磁性狀態(tài)改變而變化的“磁阻”現(xiàn)象。相對于傳統(tǒng)的“電荷”存儲，“磁阻”存儲有兩個重要優(yōu)點：磁場極性不會像電荷那樣會隨時間而泄漏，即使斷電也能保持信息；兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換磁場極性時不會發(fā)生電子和原子的實際移動，也就不會有所謂的失效機制。
    常見MRAM器件是8位或16位的并行存儲器件，存取速度為25～100ns，讀操作速度快，寫操作速度稍慢。MRAM器件封裝體積小，符合RoHS標(biāo)準，引腳兼容同類型的SRAM器件，最大容量可達4Mb，功耗低，通常以3．3／3 V電源工作，使用壽命都在10年以上，現(xiàn)代很多MRAM器件已經(jīng)幾乎沒有了使用次數(shù)限制。飛思卡爾等公司推出有系列化的MRAM器件，典型器件如1Mb的MROAl6A、4 Mb的MR2A16A／AV等。

3 高速度大容量非易失隨機數(shù)據(jù)存儲縱觀
    各種高速度大容量非易失隨機數(shù)據(jù)存儲器性能對比如表1～表4所列。

    從E2PROM、Flash、BBSRAM到NVSRAM、FRAM、MRAM，每種類型的存儲器都有各自的優(yōu)勢和不足。傳統(tǒng)的E2PROM、Flash、BBSRAM存儲器件符合傳統(tǒng)操作習(xí)慣，具有價格上的優(yōu)勢，在中低檔嵌入式產(chǎn)品中還有廣泛的應(yīng)用。但是，E2PROM和Flash存儲器件需要寫前擦除，E2PROM和NOR Flash容量有限，NAND Flash還要“頁”模式操作，BBSRAM體積龐大且不符合RoHS環(huán)保標(biāo)準，這些缺陷決定了它們遲早要讓位于現(xiàn)代的NVSRAM、FRAM、MRAM器件。
    NVSRAM、FRAM、MRAM器件，在速度、容量、非易失性、隨機操作、封裝體積、功耗等性能方面具有很大優(yōu)勢，代表著現(xiàn)代高速度、大容量、非易失、隨機數(shù)據(jù)存儲器件的發(fā)展趨勢。NVSRAM速度優(yōu)勢最強，美中不足的是需要外接滿足特定要求的電容。FRAM器件種類齊全，特別是可以代替E2PROM和Flash的串行器件，但其操作速度不是最優(yōu)，還有待提高。MRAM器件有顯著的速度、容量、非易失、隨機操作、體積、功耗優(yōu)勢，正在得到廣泛應(yīng)用。NVSRAM、FRAM、MRAM器件性價比很高，但是價格相對稍高些。

4 高速度大容量非易失隨機存儲器件選用
    為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)選擇非易失隨機存儲器件的一般步驟如下：
    ①根據(jù)設(shè)計產(chǎn)品功能需求，考慮需求的器件接口是并行的還是串行SPI或I2C的。并行接口器件運行速度快，便于軟件操作，適合于大中型體系，如測／控板卡等；串行接口硬件電路簡單，適合于消費類電子、便攜式設(shè)備等。
    ②根據(jù)實際需求和價格成本因素選擇合適類型的器件。并行存儲器類型多，8／16位系列化器件多，選擇余地很大。SPI器件，有E2PROM、Flash和FRAM類型。I2C器件只有E2PROM和FRAM類型。
    ③根據(jù)速度、容量、非易失性、隨機訪問便利性、封裝體積、功耗等設(shè)計需求，以及上述一系列高速度、大容量、非易失、隨機存儲器件的對比分析，選擇合適半導(dǎo)體廠家的具體存儲器件。既要做到性能選擇最優(yōu)，又要兼顧投入成本。可以使用同一存儲器件完成數(shù)據(jù)緩存、中間數(shù)據(jù)存儲、非易失數(shù)據(jù)存儲，這正是非易失隨機數(shù)據(jù)存儲的優(yōu)勢所在。

結(jié) 語
    E2PROM、Flash、BBSR．AM、NVSRAM、FRAM、MRAM等存儲器及其系列化器件，為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的高速度、大容量、非易失、隨機數(shù)據(jù)存儲提供了廣闊的選擇空間。NVSRAM、FRAM、MRAM存儲器，特別是FRAM和MRAM具有更高的性價比。有了這些高性能低成本器件，中間數(shù)據(jù)緩存、靈活參數(shù)配置、測／控變量存儲、音／視頻數(shù)據(jù)存儲、高速通信數(shù)據(jù)包存儲、程序代碼可變存儲等嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，將變得更加靈活、高效和方便。