嵌入式系統(tǒng)的高速度大容量非易失隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
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高速度、大容量、非易失、隨機(jī)存儲(chǔ)是現(xiàn)代嵌入式應(yīng)用體系數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的迫切需要,特別是大量的測(cè)/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(chǔ)。高速度是指存取訪問速度快,對(duì)于并行接口存儲(chǔ)器為幾到幾十秒級(jí),對(duì)于串行存儲(chǔ)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(chǔ)密度,通常為幾百千位到幾百兆位。非易失是指存儲(chǔ)數(shù)據(jù)不會(huì)因上/掉電和外界干擾而變化消失。隨機(jī)存儲(chǔ)是指可以對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jià)廉、易用。
面對(duì)這些需求,自然會(huì)想到SRAM(Static Random Access Memory,靜態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器)、DRAM(Dynamic RAM,動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器)和Flash(Flash Memory,閃速存儲(chǔ)器)。SRAM速度快、存取訪問隨機(jī)、接口簡(jiǎn)單、操作控制簡(jiǎn)易,DRAM存儲(chǔ)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(chǔ)器的優(yōu)勢(shì)綜合和缺陷回避的改進(jìn)型或新型存儲(chǔ)器件。
能夠部分或全部滿足“高速度、大容量、非易失、隨機(jī)數(shù)據(jù)存取訪問”的存儲(chǔ)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(chǔ)器件的接口類型如圖2所示。
特別指出:文中存儲(chǔ)器的速度是指讀/寫操作訪問存儲(chǔ)器的速率,實(shí)際應(yīng)用中并行存儲(chǔ)器速度常用一次讀/寫操作的時(shí)間周期表示,如70~140 ns;串行存儲(chǔ)器常用每秒讀/寫操作的二進(jìn)制位數(shù)(即時(shí)間頻率)表示,如25MHz。
2 高速度大容量非易失隨機(jī)存儲(chǔ)器件綜述
2.1 電擦除可編程存儲(chǔ)器E2PROM
電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器E2PROM(Electrically Erasable Programmable ROM)是基于浮柵型場(chǎng)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(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的。E2PROM器件具有非易失性,可隨時(shí)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(shí)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(shí)間達(dá)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(chǔ)單元上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息擴(kuò)大了一倍,同時(shí)也大大提高了讀/寫訪問速度。該項(xiàng)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(chǔ)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(hù)機(jī)制。
Maxim公司供應(yīng)不同規(guī)格的該類器件,型號(hào)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(chǔ)器可以達(dá)到3.4 MHz,不少I2C串行E2PROM具有硬件或軟件數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)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(jìn)行寫操作,帶有頁緩沖RAM,有軟件/硬件數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)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(chǔ)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(duì)應(yīng)不同的閾電壓而代表不同的數(shù)據(jù)。Flash存儲(chǔ)單元有2種基本類型結(jié)構(gòu):?jiǎn)渭?jí)單元SLC(Single-Level Cell)和多級(jí)單元MLC(Multi-Level Cell)。傳統(tǒng)的SLC存儲(chǔ)單元只有2個(gè)閾電壓(O/1),只能存儲(chǔ)1位信息。MLC的每個(gè)存儲(chǔ)單元中有4個(gè)閾電壓(OO/01/10/11),可以存儲(chǔ)2位信息;MLC技術(shù)能夠得到大的存儲(chǔ)容量,Saifun的Quad NROM技術(shù)也是用類似的機(jī)理提高存儲(chǔ)容量的。
根據(jù)存儲(chǔ)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(dú)立的數(shù)據(jù)總線和地址總線,能快速隨機(jī)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(jìn)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M(fèi)b。
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(jìn)行讀和編程操作,以塊(4/8/16 KB)為單位進(jìn)行擦除操作,編程和擦除的速度較快,隨機(jī)讀取速度慢且不能按字節(jié)隨機(jī)編程。這類器件尺寸小,引腳少,成本低,容量大(可達(dá)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(jí)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(chǔ)器和SPI接口,存儲(chǔ)器,器件標(biāo)識(shí)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(jìn)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(hù)機(jī)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(jìn)行“寫使能”操作。Atreel與Saifun等公司提供系列化的SPI Flash,容量可達(dá)4 Mb。Atmel器件,派生自E2PROM,頻率可達(dá)33 MHz;Saifun器件,采用其獨(dú)特的Quad NROM技術(shù),頻率可達(dá)50 MHz。SPI Flash在便攜式消費(fèi)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(jī)存儲(chǔ)器BBSRAM
電池后備靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí)SRAM由外部電源供電并可對(duì)內(nèi)嵌的鋰電充電,掉電后芯片內(nèi)含的控制與保護(hù)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(dá)10年,從而做到SRAM數(shù)據(jù)不易失。BBSRAM的正常操作就是對(duì)SRAM的直接訪問,讀/寫速度快,隨機(jī)性強(qiáng)。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(shí)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(zhǔn)。
常用的BBSRAM是8位的并行存儲(chǔ)器件,讀/寫訪問速度為50~150 ns,容量可達(dá)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(hù)機(jī)制。常見的BBSRAM有美新宏控公司的基本硬件保護(hù)型8位HKl2系列、增強(qiáng)硬件型8位HKl2DP系列、硬軟件保護(hù)型8位OKS系列,ST與Maxim公司的零功耗BBSRAM系列、帶實(shí)時(shí)時(shí)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(jī)存儲(chǔ)器NVSRAM
非易失靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器NVSRAM(None—VolatileSRAM),采用SRAM+E2PROM方式,正常的讀/寫操作都在SRAM中進(jìn)行,只有在掉電或者需要存儲(chǔ)時(shí)才會(huì)把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到E2PROM中去。NVSRAM通過一個(gè)外接電容來完成上電和掉電時(shí)的數(shù)據(jù)召回和存儲(chǔ):掉電時(shí)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(cè)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(yùn)行。NVSRAM有3種存儲(chǔ)方式:自動(dòng)存儲(chǔ)、硬件存儲(chǔ)和軟件存儲(chǔ)。有2種召回(Recall)操作方式:自動(dòng)RECALL和軟件RECALL。存儲(chǔ)過程包括2個(gè)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(gè)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(dòng)存儲(chǔ)或召回由器件內(nèi)含的邏輯監(jiān)控電路完成,硬件存儲(chǔ)由可控引腳外部實(shí)現(xiàn),軟件存儲(chǔ)或召回通過軟件由預(yù)定義的連續(xù)SRAM讀操作來控制實(shí)現(xiàn)。
常見NVSRAM是8位的并行存儲(chǔ)器件,可以隨機(jī)讀/寫訪問,存取訪問速度為15~45 ns,容量可達(dá)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(jī)存儲(chǔ)器FRAM
鐵電晶體隨機(jī)存儲(chǔ)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(chǔ)器。鐵電效應(yīng)是指在鐵電晶體上施加一定的電場(chǎng)時(shí),晶體中心原子在電場(chǎng)的作用下運(yùn)動(dòng),并達(dá)到一種穩(wěn)定狀態(tài);移走電場(chǎng),晶體中心原子仍會(huì)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(chǔ)單元主要由電容和場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成,由存儲(chǔ)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(jī)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(chǎng)干擾能力強(qiáng)。5 V器件的使用壽命是1014次,3.3 V器件幾乎可以達(dá)到無限次,存儲(chǔ)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(gè)預(yù)充(precharge)過程恢復(fù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)位,讀/寫操作具有增加的預(yù)充電時(shí)間,這是FRAM所獨(dú)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(dá)1MHz,容量可達(dá)512 Kb。SPIFRAM的速度可達(dá)40 MHz,容量可達(dá)2 Mb。并行FRAM的速度可達(dá)55 ns,讀/寫周期為110 ns,容量可達(dá)4 Mb。使用并行FRAM,由于存在“預(yù)充”,讀/寫操作時(shí)要特別注意微處理器與存儲(chǔ)器的時(shí)序的對(duì)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(jī)存儲(chǔ)器MRAM
磁阻性隨機(jī)存儲(chǔ)器MRAM(Magnetic-ResistiveRAM)基于GMR(Giant Magneto Resistive)薄膜技術(shù),與硬盤驅(qū)動(dòng)器原理相同,以磁性的方向?yàn)橐罁?jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。其基本存儲(chǔ)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(shí),被磁層極化的電子會(huì)通過一個(gè)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(shí)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(shí)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(duì)于傳統(tǒng)的“電荷”存儲(chǔ),“磁阻”存儲(chǔ)有兩個(gè)重要優(yōu)點(diǎn):磁場(chǎng)極性不會(huì)像電荷那樣會(huì)隨時(shí)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(chǎng)極性時(shí)不會(huì)發(fā)生電子和原子的實(shí)際移動(dòng),也就不會(huì)有所謂的失效機(jī)制。
常見MRAM器件是8位或16位的并行存儲(chǔ)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(zhǔn),引腳兼容同類型的SRAM器件,最大容量可達(dá)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(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)縱觀
各種高速度大容量非易失隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器性能對(duì)比如表1~表4所列。
從E2PROM、Flash、BBSRAM到NVSRAM、FRAM、MRAM,每種類型的存儲(chǔ)器都有各自的優(yōu)勢(shì)和不足。傳統(tǒng)的E2PROM、Flash、BBSRAM存儲(chǔ)器件符合傳統(tǒng)操作習(xí)慣,具有價(jià)格上的優(yōu)勢(shì),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(chǔ)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(zhǔn),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(jī)操作、封裝體積、功耗等性能方面具有很大優(yōu)勢(shì),代表著現(xiàn)代高速度、大容量、非易失、隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件的發(fā)展趨勢(shì)。NVSRAM速度優(yōu)勢(shì)最強(qiáng),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(jī)操作、體積、功耗優(yōu)勢(shì),正在得到廣泛應(yīng)用。NVSRAM、FRAM、MRAM器件性價(jià)比很高,但是價(jià)格相對(duì)稍高些。
4 高速度大容量非易失隨機(jī)存儲(chǔ)器件選用
為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)選擇非易失隨機(jī)存儲(chǔ)器件的一般步驟如下:
①根據(jù)設(shè)計(jì)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(yùn)行速度快,便于軟件操作,適合于大中型體系,如測(cè)/控板卡等;串行接口硬件電路簡(jiǎn)單,適合于消費(fèi)類電子、便攜式設(shè)備等。
②根據(jù)實(shí)際需求和價(jià)格成本因素選擇合適類型的器件。并行存儲(chǔ)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(jī)訪問便利性、封裝體積、功耗等設(shè)計(jì)需求,以及上述一系列高速度、大容量、非易失、隨機(jī)存儲(chǔ)器件的對(duì)比分析,選擇合適半導(dǎo)體廠家的具體存儲(chǔ)器件。既要做到性能選擇最優(yōu),又要兼顧投入成本??梢允褂猛淮鎯?chǔ)器件完成數(shù)據(jù)緩存、中間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、非易失數(shù)據(jù)存儲(chǔ),這正是非易失隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)所在。
結(jié) 語
E2PROM、Flash、BBSR.AM、NVSRAM、FRAM、MRAM等存儲(chǔ)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(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供了廣闊的選擇空間。NVSRAM、FRAM、MRAM存儲(chǔ)器,特別是FRAM和MRAM具有更高的性價(jià)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(cè)/控變量存儲(chǔ)、音/視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、高速通信數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)、程序代碼可變存儲(chǔ)等嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì),將變得更加靈活、高效和方便。