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鐵電存儲器原理及應用比較
摘要：介紹鐵電存儲器（FRAM）的一般要領和基本原理，詳細分析其讀寫操作過程及時序。將FRAM與其它存儲器進行比較，分析在不同場合中各自的優(yōu)缺點。最后以FM1808為例說明并行FPGA與8051系列單片機的實際接口，著重分析與使用一般SRAM的不同之處。關鍵詞：鐵電存儲器 FRAM原理 8051 存儲技術
1 背景
鐵電存儲技術最在1921年提出，直到1993年美國Ramtron國際公司成功開發(fā)出第一個4Kb的鐵電存儲器FRAM產(chǎn)品，目前所有的FRAM產(chǎn)品均由Ramtron公司制造或授權。最近幾年，F(xiàn)RAM又有新的發(fā)展，采用了0.35μm工藝，推出了3V產(chǎn)品，開發(fā)出“單管單容”存儲單元的FRAM，最大密度可在256Kb。
2 FRAM原理
FRAM利用鐵電晶體的鐵電效應實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，鐵電晶體的結構如圖1所示。鐵電效應是指在鐵電晶體上施加一定的電場時，(范文先生網(wǎng)www.gymyzhishaji.com收集整理)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)；當電場從晶體移走后，中心原子會保持在原來的位置。這是由于晶體的中間層是一個高能階，中心原子在沒有獲得外部能量時不能越過高能階到達另一穩(wěn)定位置，因此FRAM保持數(shù)據(jù)不需要電壓，也不需要像DRAM一樣周期性刷新。由于鐵電效應是鐵電晶體所固有的一種偏振極化特性，與電磁作用無關，所以FRAM存儲器的內(nèi)容不會受到外界條件（諸如磁場因素）的影響，能夠同普通ROM存儲器一樣使用，具有非易失性的存儲特性。
FRAM的特點是速度快，能夠像RAM一樣操作，讀寫功耗極低，不存在如E2PROM的最大寫入次數(shù)的問題；但受鐵電晶體特性制約，F(xiàn)RAM仍有最大訪問（讀）次數(shù)的限制。
2．1 FRAM存儲單元結構
FRAM的存儲單元主要由電容和場效應管構成，但這個電容不是一般的電容，在它的兩個電極板中間沉淀了一層晶態(tài)的鐵電晶體薄膜。前期的FRAM的每個存儲單元使用2個場效應管和2個電容，稱為“雙管雙容”（2T2C），每個存儲單元包括數(shù)據(jù)位和各自的參考位，簡化的2T2C存儲單元結構如圖2（a）所示。2001年Ramtron設計開發(fā)了更先進的“單管單容”（1T1C）存儲單元。1T1C的FRAM所有數(shù)據(jù)位使用同一個參考位，而不是對于每一數(shù)據(jù)位使用各自獨立的參考位。1T1C的FRAM產(chǎn)品成本更低，而且容量更大。簡化的1T1C存儲單元結構（未畫出公共參考位）如圖2（b）所示。
2.2 FRAM的讀/寫操作
FRAM保存數(shù)據(jù)不是通過電容上的電荷，而是由存儲單元電容中鐵電晶體的中心原子位置進行記錄。直接對中心原子的位置進行檢測是不能實現(xiàn)的。實際的讀操作過程是：在存儲單元電容上施加一已知電場（即對電容充電），如果原來晶體中心原子的位置與所施加的電場方向使中心原子要達到的位置相同，中心原子不會移動；若相反，則中心原子將越過晶體中間層的高能階到達另一位置，在充電波形上就會出現(xiàn)一個尖峰，即產(chǎn)生原子移動的比沒有產(chǎn)生移動的多了一個類峰。把這個充電波形同參考位（確定且已知）的充電波形進行比較，便可以判斷檢測的存儲單元中的內(nèi)容是“1”或“0”。
無論是2T2C還是1T1C的FRAM，對存儲單元進行讀操作時，數(shù)據(jù)位狀態(tài)可能改變而參考位則不會改變（這是因為讀操作施加的電場方向與原參考位中原子的位置相同）。由于讀操作可能導致存儲單元狀態(tài)的改變，需要電路自動恢復其內(nèi)容，所以每個讀操作后面還伴隨一個“預充”（precharge）過程來對數(shù)據(jù)位恢復，而參考位則不用恢復。晶體原子狀態(tài)的切換時間小于1ns，讀操作的時間小于70ns，加上“預充”時間60ns，一個完整的讀操作時間約為130ns。
圖2
寫操作和讀操作十分類似，只要施加所要的方向的電場改變鐵電晶體的狀態(tài)就可以了，而無需進行恢復。但是寫操作仍要保留一個“預充”時間，所以總的時間與讀操作相同。FRAM的寫操作與其它非易失性存儲器的寫操作相比，速度要快得多，而且功耗小。
2.3 FRAM的讀寫時序
在FRAM讀操作后必須有個“預充電”過程，來恢復數(shù)據(jù)位。增加預充電時間后，F(xiàn)RAM一個完整的讀操作周期為130ns，如圖3（a）所示。這是與SRAM和E2PROM不同的地方。圖3（b）為寫時序。
3 FRAM與其它存儲技術比較
目前Ramtron公司的FRAM主要包括兩大類：串行FRAM和并行FRAM。其中串行FRAM又分I2C兩線方式的FM24××系列和SPI三線方式的FM25xx系列。串行FRAM與傳統(tǒng)的24xx、25xx型的E2PROM引腳及時序兼容，可以直接替換，如Microchip、Xicor公司的同型號產(chǎn)品；并行FRAM價格較高但速度快，由于存在“預充”問題，在時序上有所不同，不能和傳統(tǒng)的SRAM直接替換。
FRAM產(chǎn)品具有RAM和ROM優(yōu)點，讀寫速度快并可以像非易失性存
儲器一樣使用。因鐵電晶體的固有缺點，訪問次數(shù)是有限的，超出限度，F(xiàn)RAM就不再具有非易失性。Ramtron給出的最大訪問次數(shù)是100億次（10 10），但是并不是說在超過這個次數(shù)之后，F(xiàn)RAM就會報廢，而是它僅僅沒有了非易失性，但它仍可像普通RAM一樣使用。
（1）FRAM與E2PROM
FRAM可以作為E2PROM的第二種選擇。它除了E2PROM的性能外，訪問速度要快得多。但是決定使用FRAM之前，必須確定系統(tǒng)中一旦超出對FRAM的100億次訪問之后絕對不會有危險。
圖3
（2）FRAM與SRAM
從速度、價格及使用方便來看，SRAM優(yōu)于FRAM；但是從整個設計來看，F(xiàn)RAM還有一定的優(yōu)勢。
假設設計中需要大約3KB的SRAM，還要幾百個字節(jié)用來保存啟動代碼的E2PROM配置。
非易失性的FRAM可以保存啟動程序和配置信息。如果應用中所有存儲器的最大訪問速度是70ns，那么可以使用1片F(xiàn)RAM完成這個系統(tǒng)，使系統(tǒng)結構更加簡單。
（3）FRAM與DRAM
DRAM適用于那些密度和價格比速度更重要的場合。例如DRAM是圖形顯示存儲器的最佳選擇，有大量的像素需要存儲，而恢復時間并不是很重要。如果不需要下次開機時保存上次內(nèi)容，使用易失性的DRAM存儲器就可以。DRAM的作用與成本是FRAM無法比擬的。事實證明，DRAM不是FRAM所能取代的。
（4）FRAM與Flash
現(xiàn)在最常用的程序存儲器是Flash，它使用十分方便而且越來越便宜，程序存儲器必須是非易失性的，并且要相對低廉，還要比較容易改寫。而使用FRAM會受訪問次數(shù)的限制。
4 FRAM與單片機接口
下面介紹并行FRAM——FM1808與8051/52—的實際應用。
4.1 預充電信號的產(chǎn)生
在大多數(shù)的8051系統(tǒng)中，對存儲器的片選信號CE通常允許在多個讀寫訪問操作時保持為低。但這對FM1808不適用，必須在每次訪問時CE由硬件產(chǎn)生一個正跳變。標準8051核的一個機器周期包括12個時鐘周期，ALE信號在每個機器周期中有效兩次，除了對外部數(shù)據(jù)存儲器訪問時僅有效一次。8051對外部存儲器的讀或?qū)懖僮餍枰獌蓚�機器周期�？焖傩�8051如DS87C520或W77E58的一個機器周期僅需4個時鐘周期，而在一些新的，如Philips的8051中，一個機器周期為6個時鐘周期，在任何一個機器周期中ALE信號都有效兩次。盡管有這些不同，仍可以用ALE信號和地址片選來產(chǎn)生可用作FRAM訪問的CE信號。要保證對FM1808的正確訪問，必須注意兩點：
第一，F(xiàn)RAM的訪問時間必須大于70ns；
第二，ALE的高電平寬度必須大于60ns。
對于標準的8051/52，ALE信號的寬度因不同廠家略有不同。一些快速的8051/52系列，如Dallas的DS87C520，Winbond的W77E58則更窄一些。
圖4
根據(jù)前面的介紹，要實現(xiàn)對FM1808的正常操作，對于標準8051/52來說，主頻不能高于20MHz；而對于高速型的8051/52，主頻不應高于23MHz。
4．2 FM1808與8051的接口電路
FM1808與8051接口電路如圖4所示。這里使用8051的ALE信號和由地址產(chǎn)生CE的片選信號相“或”來產(chǎn)生CE的正跳變。2片32K×8的FRAM存儲器，A15與ALE通過74FC32相“或”作為U2的片選，取反后作為U3的片選。所以，U2的地址為0～7FFFH，U3的地址為8000H～FFFFH。8051的RD信號與PSEN信號相“與”后作為U3的輸出允許，所以U3作為程序或數(shù)據(jù)存儲器使用。當J1跳接塊在右邊時，U2與U3用法相同；而J1跳接在左邊時，U2僅作為程序存儲器。要保證代碼不會意外地被改寫，僅需斷開J2即可。
需要注意的是，由于邏輯門電路都有6～8ns的延時時間，在主頻較高時對應使用快速型邏輯芯片（F系列）。
結語
FRAM產(chǎn)品為我們提供了可使用的存儲器的一種新選擇，在原來使用E2PROM的應用中表現(xiàn)會更出色，為某些原來認為需要使用SRAM的E2PROM的應用系統(tǒng)找到一種新的途徑。但是由于最大訪問次數(shù)的限制，要成為理想的通用存儲器，F(xiàn)RAM還有很長的路要走。
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