簡述嵌入式系統(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。非易失隨機存儲器在斷電后不會丟失數(shù)據(jù)。而隨機存儲器以鐵電物質(zhì)為原料，通過施加電場，依靠鐵電晶體的電極在兩個穩(wěn)定態(tài)之間轉(zhuǎn)換實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫。鐵電隨機存儲器具備非易失、讀寫速度快、工作電壓低、數(shù)據(jù)存儲時間長等優(yōu)勢，但是在容量方面一直沒有突破。

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）?！　RAM不需要刷新電路即能保存它內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù)。而DRAM（Dynamic Random Access Memory）每隔一段時間，要刷新充電一次，否則內(nèi)部的數(shù)據(jù)即會消失，因此SRAM具有較高的性能。DRAM（Dynamic Random Access Memory），即動態(tài)隨機存取存儲器最為常見的系統(tǒng)內(nèi)存。DRAM 只能將數(shù)據(jù)保持很短的時間。為了保持數(shù)據(jù)，DRAM使用電容存儲，所以 必須隔一段時間刷新（refresh）一次，如果存儲單元沒有被刷新，存儲的信息就會丟失。 （關(guān)機就會丟失數(shù)據(jù)）

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

EEPROM（電可擦寫可編程只讀存儲器）是可用戶更改的只讀存儲器（ROM），其可通過高于普通電壓的作用來擦除和重編程（重寫）。不像EPROM芯片，EEPROM不需從計算機中取出即可修改。在一個EEPROM中，當計算機在使用的時候是可頻繁地重編程的，EEPROM的壽命是一個很重要的設(shè)計考慮參數(shù)。EEPROM的一種特殊形式是閃存，其應(yīng)用通常是個人電腦中的電壓來擦寫和重編程。 EEPROM,一般用于即插即用（Plug Play）。常用在接口卡中，用來存放硬件設(shè)置數(shù)據(jù)。也常用在防止軟件非法拷貝的硬件鎖上面。

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閃存英文名稱是Flash Memory,一般簡稱為Flash,它屬于內(nèi)存器件的一種。 不過閃存的物理特性與常見的內(nèi)存有根本性的差異： 目前各類 DDR 、 SDRAM 或者 RDRAM 都屬于揮發(fā)性內(nèi)存，只要停止電流供應(yīng)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)便無法保持，因此每次電腦開機都需要把數(shù)據(jù)重新載入內(nèi)存；閃存則是一種不揮發(fā)性（ Non-Volatile ）內(nèi)存，在沒有電流供應(yīng)的條件下也能夠長久地保持數(shù)據(jù)，其存儲特性相當于硬盤，這項特性正是閃存得以成為各類便攜型數(shù)字設(shè)備的存儲介質(zhì)的基礎(chǔ)。

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，器件標識多含F(xiàn),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

BBSRAM需要電池（一般是鋰電池）用以在外部供電出現(xiàn)故障或關(guān)斷時供電。另外，它也不可能采用回流焊工藝，因為電池可能因此發(fā)生泄漏甚至爆炸。BBSRAM還需遵循歐盟有害物質(zhì)限用指令（RoHS），這可能會給設(shè)計工程師帶來極大的困難。RoHS指令在2003年2月份開始實施，是歐盟制定的一項法令，限制了某些電子電氣產(chǎn)品制造過程中對6種有害材料的使用。雖然存在上述各種艱巨挑戰(zhàn)，若系統(tǒng)需要每秒數(shù)千次的訪問速度，BBSRAM仍不失為一種理想選擇。BBSRAM中的靜態(tài)RAM 允許無限的讀寫次數(shù)，非常適合那些需要頻繁讀寫的存儲器應(yīng)用。

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

NVSRAM 為 Non-volatile SRAM縮寫，即為非易失性SRAM.NVSRAM采用SRAM+EEPROM方式，實現(xiàn)了無須后備電池的非易失性存儲，芯片接口、時序等與標準SRAM完全兼容。NVSRAM通常的操作都在SRAM中進行，只有當外界突然斷電或者認為需要存儲的時候才會把數(shù)據(jù)存儲到EEPROM中去，當檢測到系統(tǒng)上電后會把EEPROM中的數(shù)據(jù)拷貝到SRAM中，系統(tǒng)正常運行。其主要用于掉電時保存不能丟失的重要的數(shù)據(jù)，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。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。