在嵌入式設(shè)計(jì)中將FRAM用作閃存的替代方案

　如今，有多種存儲(chǔ)技術(shù)均具備改變嵌入式處理領(lǐng)域格局的潛力。然而，迄今為止還沒(méi)有哪一種技術(shù)脫穎而出成為取代微控制器（MCU）中閃存技術(shù)的強(qiáng)勁競(jìng)爭(zhēng)者，直到FRAM的出現(xiàn)這種情況才得以改變。鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（FRAM）是一種非易失性的獨(dú)立型存儲(chǔ)技術(shù)，本文將論述FRAM的主要技術(shù)屬性，同時(shí)探討可充分展現(xiàn)FRAM優(yōu)勢(shì)的具體用例。

　　FRAM是什么

　　FRAM為非易失性存儲(chǔ)器，其功耗、可寫(xiě)入次數(shù)、讀/寫(xiě)速度均與常用的靜態(tài)RAM（SRAM）很相似。存儲(chǔ)在FRAM單元中的信息對(duì)應(yīng)于鐵電晶體的極化狀態(tài)，即使在電源移除之后亦能保存其內(nèi)容。正是這一特點(diǎn)使FRAM擁有了真正的非易失性。而且，與閃存單元的編程相比，晶體極化所需的電能消耗相對(duì)較低，因此FRAM寫(xiě)入操作的功耗天生就比閃存的要低。

　　下面介紹的是目前幾種采用了閃存技術(shù)的微控制器的典型應(yīng)用。我們從中可以了解到，采用基于FRAM的MCU（而不是基于閃存的MCU）是如何實(shí)現(xiàn)成本、能耗與效率優(yōu)化的。

　　數(shù)據(jù)錄入

　　典型的數(shù)據(jù)錄入應(yīng)用（比如：溫度數(shù)據(jù)錄入器）能以介于1Hz至1000Hz之間的速率進(jìn)行采樣。 我們知道閃存中單個(gè)字節(jié)的寫(xiě)入時(shí)間約為75μs。相比之下，F(xiàn)RAM技術(shù)的寫(xiě)入速率則可達(dá)到大約每125ns一個(gè)字節(jié)。這種寫(xiě)入速度比閃存快了將近1000倍！我們考慮一下：當(dāng)應(yīng)用達(dá)到某個(gè)閃存段的末端并需要移動(dòng)至下一個(gè)閃存段時(shí)，會(huì)突然出現(xiàn)20ms的延遲，以等待完成一個(gè)段擦除。

　　這種擦除延遲并不適用于FRAM，因?yàn)樗恍枰趯?xiě)入操作之間對(duì)FRAM字節(jié)進(jìn)行預(yù)擦除。每個(gè)閃存段20ms的延遲似乎沒(méi)那么令人望而卻步，但當(dāng)我們計(jì)算出其對(duì)最大寫(xiě)入速度的顯著影響之后就不這么看了。為了方便本文的討論，假定寫(xiě)入的內(nèi)存區(qū)塊的長(zhǎng)度為512字節(jié)。一個(gè)閃存區(qū)塊每秒鐘可進(jìn)行26次寫(xiě)操作（包括每寫(xiě)入512字節(jié)時(shí)完成一個(gè)擦除周期所需的時(shí)間）。這為我們提供了13kBps的總速度。

　　與之相比，一個(gè)512字節(jié)FRAM區(qū)塊的寫(xiě)入速度則可超過(guò)8MBps。并不是每一種應(yīng)用都要求如此高的寫(xiě)入速度，假設(shè)您的目標(biāo)應(yīng)用只需要每秒1kB的寫(xiě)入速度，那么采用閃存技術(shù)的MCU將在7% 時(shí)間里處于運(yùn)行狀態(tài)以執(zhí)行寫(xiě)入操作。然而，F(xiàn)RAM MCU則僅需0.07%的運(yùn)行時(shí)間即可完成該項(xiàng)任務(wù)，這使得MCU能在99.9%的時(shí)間里保持待機(jī)狀態(tài)，從而顯著地節(jié)省能耗。

　　能量收集

　　當(dāng)今的許多應(yīng)用都專注于使用更加清潔的綠色能源，這些能源取自諸如陽(yáng)光、振動(dòng)、熱量或機(jī)械變化等自然資源。此類應(yīng)用依賴于小的突發(fā)能量（其能以短的時(shí)間間隔提供電能），而MCU通常是在失去電源前的最后時(shí)刻決定可執(zhí)行多少行代碼。基于閃存的應(yīng)用非常重視功耗，這不僅是由于閃存存取時(shí)的平均功耗較高，同時(shí)也是因?yàn)殚W存寫(xiě)入過(guò)程中的峰值功耗較高所致。

　　該峰值功耗主要是由于使用充電泵而引起的，最高數(shù)值可達(dá)到7mA，因而使得非易失性寫(xiě)入操作在能量收集領(lǐng)域幾乎是行不通的。而采用FRAM時(shí)沒(méi)有充電泵；于是，不存在大電流的寫(xiě)入操作。對(duì)FRAM進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)的平均功耗與FRAM讀操作或采用FRAM的執(zhí)行操作相同（即：未損害非易失性寫(xiě)入操作，從而使FRAM成為適合能量收集應(yīng)用的真正靈活的可選方案）。

　　RFID標(biāo)簽

　　射頻識(shí)別（RFID）標(biāo)簽開(kāi)始逐漸出現(xiàn)在許多場(chǎng)所：商店貨架（用于顯示商品價(jià)格）、各類會(huì)議（胸卡）以及工業(yè)自動(dòng)化車間（用于標(biāo)明和識(shí)別傳送帶上的物體）。部分此類應(yīng)用每天需要進(jìn)行多達(dá)100次的存儲(chǔ)器寫(xiě)入操作。

　　假設(shè)一個(gè)典型壽命為1萬(wàn)次寫(xiě)入/擦除的閃存字節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)10萬(wàn)次寫(xiě)入/擦除的壽命，應(yīng)用將需要為每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)留出10個(gè)閃存字節(jié)，從而以高冗余度為代價(jià)來(lái)滿足壽命要求。

　　相比之下，一個(gè)FRAM存儲(chǔ)器字節(jié)的壽命可達(dá)1015次寫(xiě)入/擦除，這是一個(gè)閃存字節(jié)的1000億倍。對(duì)于那些要求幾百萬(wàn)次寫(xiě)入/擦除之高壽命的應(yīng)用，F(xiàn)RAM的壽命指標(biāo)是目前可用的其他嵌入式非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)所無(wú)法比擬的。
手持式測(cè)量

　　在對(duì)掉電現(xiàn)象高度關(guān)注的手持式測(cè)量中，血糖測(cè)量便是一個(gè)例子。在由于使用了電量耗盡的電池而導(dǎo)致供電故障的情況下，血糖計(jì)需要保存一個(gè)時(shí)間戳、保存電源發(fā)生故障時(shí)的讀數(shù)、甚至還可能在關(guān)斷之前執(zhí)行幾項(xiàng)數(shù)學(xué)函數(shù)運(yùn)算。

　　我們?cè)O(shè)想一種采用電荷耗盡之電池且基于閃存的測(cè)量應(yīng)用，電源電壓的下降可被近似為：在 0.01秒的時(shí)間里至300mV左右。在這段時(shí)間中，可寫(xiě)入多達(dá)8萬(wàn)個(gè)FRAM字節(jié)，而相比之下閃存字節(jié)則只能寫(xiě)入8千字節(jié)左右。然而，這還沒(méi)有把閃存寫(xiě)入操作的高峰值電流及平均電流要求等因素考慮在內(nèi)，這種大電流需求將迅速消耗電池電量，最終導(dǎo)致電池的后備供電能力顯著下降。

　　電源故障過(guò)程中系統(tǒng)后備的另一個(gè)用例是電能計(jì)量，此時(shí)，能耗數(shù)據(jù)必需保存在非易失性存儲(chǔ)器之中，直到供電恢復(fù)為止。在此類場(chǎng)合中，系統(tǒng)后備期間的電能使用情況是至關(guān)緊要的，因?yàn)楹髠潆姵仉娫吹钠谕褂闷谙揲L(zhǎng)達(dá)10年之久。

　　對(duì)于種類繁多、數(shù)量龐大的應(yīng)用而言，F(xiàn)RAM不僅提供了差異化、同時(shí)亦可能是唯一可行的選項(xiàng)。如需對(duì)基于FRAM的MCU進(jìn)行測(cè)試驅(qū)動(dòng)，不妨試用由德州儀器公司提供的MSP430FR57xx系列，樣片可免費(fèi)獲得。

　　FRAM能減少系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)效率和降低復(fù)雜性，同時(shí)具有遠(yuǎn)低于閃存的功耗。如果您現(xiàn)有的基于閃存的MCU應(yīng)用存在能耗、寫(xiě)入速度、使用壽命或電源故障后備方面的局限，那么或許這正是轉(zhuǎn)向FRAM的契機(jī)。

　　圖1：FRAM可實(shí)現(xiàn)連續(xù)的超低功耗數(shù)據(jù)錄入，并支持超過(guò)15萬(wàn)年的連續(xù)數(shù)據(jù)錄入（對(duì)比之下，采用閃存時(shí)則需不到7分鐘的時(shí)間）。

　　圖2：一體化 － FRAM微控制器可提供最大的讀取、寫(xiě)入、功耗與存儲(chǔ)器優(yōu)勢(shì)。