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嵌入式FRAM存储器MCU

来源:芯片解密-龙芯世纪   时间:2009-09-24   阅读:2469

  FRAM三个明显的优势使其日益受到欢迎。第一是其执行写操作的速度与读操作的速度一样快。就总线速度写入而言,FRAM对写入数据变成非易失性数据并没有任何延迟。这一点与基于浮栅技术的非易失性存储器不同,后者具有较长的写入延迟。举例说,对典型的电可擦除只读存储器 (EEPROM) 的写操作,在数据写入至输入缓存之后,需要10毫秒才能使该写入有效。此外,由于没有首选或默认状态,FRAM并没有擦除操作。同其它随机存储器 (RAM) 技术如SRAM一样,写入数据时无需考虑以前的状态。
  第二,FRAM 实际上不限制擦写操作次数,不像其它非易失性存储器那样擦写操作次数多了就会失效。当擦除次数太多时,浮栅器件便不再能保持数据。这是一种硬故障。失效的EEPROM或闪存无法储存编程状态。而FRAM则不会出现这种失效。
  第三,FRAM的运行无需电荷泵因此能够降低功耗。浮栅技术使用较高电压以编程新的状态,因此写操作比读操作消耗更多的电能。FRAM以更加先进的处理过程进行写操作,该电压为5V、3V或更低。此外,当较低的功耗乘以更快的写入速度时,FRAM所消耗电能会降低几个数量级。
  当系统必须频繁或者快速地写入数据时,上述这些益处对于写操作密集型应用的系统设计人员均有大帮助。对于读操作密集型应用,FRAM没有特别的益处。
  作为系统内可编程非易失性存储器,FRAM可作为任何其它存储器的替代产品,包括闪存或EEPROM。然而,当与这些其它存储器技术比较,该技术并未成熟且较为昂贵。因此,通常在上述三种益处均用到的应用场合,才会使用这种技术。这些应用是写操作密集型应用,其特征为数据采集频繁或有可能经常变化配置数据。在其它技术的维护成本较高,且最好采用无本质故障机制的情况下,这种技术亦十分适用。
  为什么要嵌入式存储器?
  FRAM的益处可以从独立的存储器上体现,那么为什么要嵌入式FRAM呢?
  与独立的存储器比较,嵌入式存储器可利用高速的内存总线,并且省去片外I/O,能够提供更高的性能。32位或更大的总线宽度很容易在芯片上取得,但是对于分立存储器而言,存在封装及板级互接方面的难题。如省去芯片与芯片之间的接口,也可将循环时间减少10至15毫微秒。例如,一个具有16位结构、循环时间为55毫微秒的FRAM,其存储器访问带宽约为每秒2.9亿位。在一个嵌入式微控制器上实施相同的内核技术,可以省去芯片至芯片的接口,从而实现40毫微秒的循环时间。采用具有32位总线宽度的存储阵列,使用相同的技术,每秒便能传送8亿位数据,速度可以提高2.75倍。
  嵌入式FRAM简化了系统设计。它可让设计人员去除MCU的闪存、RAM及EEPROM之间因这些技术的性能不同而自然产生的固定分区。举例说,如果应用程序的容量超过芯片闪存的容量,通常不可能分配使用SRAM。同样地,即使SRAM容量不足,也不会使用闪存作为工作存储器区使用。单个FRAM阵列便能执行所有这些类型存储器任务,从而消除分区。
  在一个典型的8位微控制器中具有16KB闪存、1KB SRAM及256B EEPROM。在这种情形下,如果程序、工作数据或配置数据的单项要求增加超过了特定存储器的容量,则必须更换MCU。只要所有类型存储器的总容量不超过16KB FRAM的容量,设计人员便可将其用于任何用途。除此之外更可节省该FRAM内存的外部接口,以简化硬件并减少占用的PCB空间。
  铁电存储器 (FRAM) 作为非易失性的存储器,现正越来越受到更多设计工程师的欢迎。随着存储器技术渐趋成熟,已由独立的形式转变为嵌入式,市场对嵌入式FRAM的兴趣也越来越浓。为了适应这个趋势,Ramtron公司推出了VRS51L3074,嵌入了8KB FRAM。而本文将描述嵌入式FRAM 的应用实例。
  FRAM简化设计
  使用FRAM能够简化系统设计,这意味着对于一般的MCU而言,设计人员都喜欢使用FRAM,而不是采用多种嵌入式存储器。FRAM通常用于能够最大限度地利用其独特性能的应用,包括数据密集型应用,如车载DVD播放器及工业位置传感器。
  例如,连续播放功能使DVD播放器能够记住停电时碟片的位置。家用播放器持续有电,因此可在SRAM中保留数据。在便携式产品或汽车环境中使用备用电源,因此可能完全断电。所以,这些情况都需要非易失性存储器。由于DVD位置跟踪信息大约每三秒存储一次,如果使用其它类型存储器,将会发生失效。对于工业位置传感装置而言,位置信息产生太快,因而无法容忍闪存或EEPROM的写入延迟等待。
  多芯片封装方法
  如果该处理器至存储器的访问接口是针对MCP封装设计,该存储器更可以映射作为一个处理器资源,而非外部器件。从硬件的角度来看,多封装内存储器的工作方式与嵌入式存储器的工作方式相同。尽管存在两个晶元,但是处理器和存储器变得不可分割。其速度可以比分立式方案更快,这取决于裸片与裸片间的接口,当然不如真正的嵌入式存储器快。MCP封装很好的减小了PCB空间并简化了设计。而真正的嵌入式FRAM与MCP封装器件之间的折衷权衡是性能。只有终端应用才能决定采用哪种方法最好。如果使用FRAM的主要原因是简单性、低功耗或高写入次数,那么MCP方案就两全其美。存储器的分区因为现实应用而消除。
  FRAM具备的多个特性将继续使其受到市场欢迎。随着FRAM技术进入主流存储器技术,市场将出现更多的嵌入式存储器选择。如本文所强调,具体应用不同,使用嵌入式存储器所获得的益处也有所不同,只有最终应用才可决定应采哪种最好的方法。
  面对嵌入式存储器与独立存储器间的性能差别间隙,一种填补方法是使用多芯片封装(MCP)技术。如果器件是针对MCP方式而设,与独立的情况相比较,这种封装使得处理器与存储器之间的结合得更紧密。虽然不能获得嵌入式存储器的所有益处,但是相对于独立存储器而言,这是一种改进。