一種新型非易失性存儲器的原理及應用

摘要：本文詳細了介紹了德國ZMD公司的非易失性存儲器（nvSRAM）的原理、種類及應用。德國ZMD公司的非易失性存儲器采用SRAM+EEPROM方式，巧妙地將兩種存儲技術集成進一個芯片之中，降低了成本，提高了可靠性。本文除介紹芯片原理之外，還提供了參考框圖。
關鍵詞：ZMD，nvSRAM，非易失性存儲器，掉電非易失

縱觀目前低容量并行接口的非易失存儲器市場，EEPROM、FRAM、SRAM+BAKBAT方式等占據(jù)了市場主流，其中EEPROM的供應廠家很多，其中以ATMEL，ST等廠家占主導地位，F(xiàn)RAM只有美國RAMTRON公司一技獨秀，而采用SRAM+BAKBAT方式的廠家，目前DALLAS占據(jù)了大部分市場空間，國內(nèi)也有幾家公司提供類似產(chǎn)品，其中比較知名的如HK等。以上幾種產(chǎn)品性能方面各有優(yōu)缺，其中EEPROM的市場應用范圍最為廣泛，其缺點也是路人皆知，寫入速度慢，至少10ms的寫等待時間，而且寫操作次數(shù)有限制；FRAM鐵電存儲器的優(yōu)點在于其操作速度很快，能夠達到標準SRAM的速度，而且寫操作次數(shù)特別高，最低能夠?qū)崿F(xiàn)100億次的寫操作，但其讀寫時序與標準SRAM有差別，目前還沒有做到完全兼容；采用SRAM+后備電池是一種傳統(tǒng)而古老的非易失存儲方式，這種方式由于DALLSA的大力推廣又獲得了新生，此方式的優(yōu)點在于芯片能夠與標準的SRAM完全兼容，而且操作速度非?？?，但是缺點也是非常明顯的，芯片體積很大，占據(jù)太多的電路板空間，而且芯片內(nèi)部的電池存在使用環(huán)境的限制，并且如果電池電量耗盡，那么所有的數(shù)據(jù)都將丟失。

德國ZMD公司研發(fā)了采用另外一種方式的非易失性存儲器nvSRAM，它采用了全新的SRAM+EEPROM方式，實現(xiàn)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。這樣就方便用戶直接替換DALLAS、HK等公司的同類產(chǎn)品，或者可以方便地將原來電路中的SRAM換成ZMD公司的nvSRAM，而無須更改電路。
 
（圖一：芯片內(nèi)部原理框圖）
ZMD公司的nvSRAM有兩種操作模式，SRAM模式與非易失性模式，
在SRAM模式中，存儲器可以像普通的靜態(tài)RAM一樣操作，SRAM可以讀寫無限次，且讀寫訪問時間小于25ns，所有的nvSRAM都是以字節(jié)方式組織的。
在非易失性模式中，數(shù)據(jù)從SRAM中保存進EEPROM中（STORE操作），或者從EEPROM回讀至SRAM中（RECALL操作）。STORE和RECALL可能會按下面的方式開始：
1、在系統(tǒng)上電或者下電時，自動開始STORE或者RECALL操作。
2、通過軟件序列或者硬件信號，由用戶控制開始STORE或者RECALL操作。
一旦STORE和RECALL周期開始后，SRAM的進一步輸入輸出便被禁止，直至周期結束，片上的STORE和RECALL控制單元控制數(shù)據(jù)在SRAM與EEPROM之間轉(zhuǎn)移
在任何時間，幾毫秒之內(nèi)SRAM中的數(shù)據(jù)就可以被存儲于EEPROM中，數(shù)據(jù)可以寫進EEPROM中至少10萬次，從EEPROM中讀出數(shù)據(jù)至SRAM中的次數(shù)是沒有限制的，nvSRAM保證數(shù)據(jù)從上一次保存周期結束后可以至少保存45年以上，它保證在芯片調(diào)換時或者未來電壓突然中斷時，數(shù)據(jù)不會丟失。

目前ZMD公司的nvSRAM根據(jù)數(shù)據(jù)保存方式不同有四種類型，分別是HardStore，SoftStore，PowerStore，CapStore，每種不同的存儲方式對應著不同的產(chǎn)品型號，以下對這幾種方式做一個詳細的說明與解釋。
HardStore nvSRAM 
控制管腳上的信號控制nvSRAM中的數(shù)據(jù)從SRAM保存進EEPROM上（STORE），或者從EEPROM回讀至SRAM中（RECALL）。
SoftStore nvSRAM
一個預定義的六個連續(xù)的SRAM讀操作控制nvSRAM中的數(shù)據(jù)從SRAM保存至EEPROM中（STORE），或者從EEPROM回讀至SRAM中（RECALL）。
PowerStore nvSRAM
數(shù)據(jù)從SRAM保存至EEPROM中，是在內(nèi)部的電壓傳感器控制下自動執(zhí)行的，當傳感器檢測到操作電壓跌落低于一個最小值的時候，會自動啟動保存操作，保存數(shù)據(jù)的能量是由外部的一個聯(lián)接至電容能量管腳的電容提供，或者由系統(tǒng)固有容性提供能量。
CapStore nvSRAM
數(shù)據(jù)從SRAM轉(zhuǎn)移至EEPROM中是在電壓檢測器的控制下自動執(zhí)行的，當電壓檢測器檢測到操作電壓跌落低于一個最小值時，自動啟動保存操作，保存數(shù)據(jù)的能量由一個內(nèi)部的電容提供。
所有類型的nvSRAM在系統(tǒng)上電時自動執(zhí)行回讀操作（RECALL）。

PowerStore和CapStore可以提供硬件或者軟件的保存（STORE）或者回讀（RECALL）操作，除了在系統(tǒng)下電或者掉電時轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)是自動執(zhí)行的。

nvSRAM的典型應用包括工業(yè)控制和汽車電子，同時也包括醫(yī)療及測量系統(tǒng)。在極端環(huán)境下，如果數(shù)據(jù)的可靠性存儲需要得到保證，那么nvSRAM將是一種完美的解決方案。
在各種數(shù)字設備中，nvSRAM可以用于保存各種緊急數(shù)據(jù)。在小型化的應用中，可以將數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器集中在一片nvSRAM中，以此來減少電路板上IC的數(shù)目，提高了系統(tǒng)的靈活性及性能。具有快速訪問特性的nvSRAM是測量及醫(yī)療應用中的理想的數(shù)據(jù)存儲方案，測量的數(shù)據(jù)可以保存在SRAM中，然后在系統(tǒng)正常下電或者系統(tǒng)突然掉電時，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移進EEPROM中。