鐵電存儲(chǔ)器原理及應(yīng)用比較

摘要：介紹鐵電存儲(chǔ)器（FRAM）的一般要領(lǐng)和基本原理，詳細(xì)分析其讀寫操作過(guò)程及時(shí)序。將FRAM與其它存儲(chǔ)器進(jìn)行比較，分析在不同場(chǎng)合中各自的優(yōu)缺點(diǎn)。最后以FM1808為例說(shuō)明并行FPGA與8051系列單片機(jī)的實(shí)際接口，著重分析與使用一般SRAM的不同之處。

    關(guān)鍵詞：鐵電存儲(chǔ)器 FRAM原理 8051 存儲(chǔ)技術(shù)

1 背景

鐵電存儲(chǔ)技術(shù)最在1921年提出，直到1993年美國(guó)Ramtron國(guó)際公司成功開發(fā)出第一個(gè)4Kb的鐵電存儲(chǔ)器FRAM產(chǎn)品，目前所有的FRAM產(chǎn)品均由Ramtron公司制造或授權(quán)。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(chǔ)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(yīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，鐵電晶體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。鐵電效應(yīng)是指在鐵電晶體上施加一定的電場(chǎng)時(shí)，晶體中心原子在電場(chǎng)的作用下運(yùn)動(dòng)，并達(dá)到一種穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)電場(chǎng)從晶體移走后，中心原子會(huì)保持在原來(lái)的位置。這是由于晶體的中間層是一個(gè)高能階，中心原子在沒有獲得外部能量時(shí)不能越過(guò)高能階到達(dá)另一穩(wěn)定位置，因此FRAM保持?jǐn)?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(yīng)是鐵電晶體所固有的一種偏振極化特性，與電磁作用無(wú)關(guān)，所以FRAM存儲(chǔ)器的內(nèi)容不會(huì)受到外界條件（諸如磁場(chǎng)因素）的影響，能夠同普通ROM存儲(chǔ)器一樣使用，具有非易失性的存儲(chǔ)特性。

FRAM的特點(diǎn)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(chǔ)單元結(jié)構(gòu)

FRAM的存儲(chǔ)單元主要由電容和場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成，但這個(gè)電容不是一般的電容，在它的兩個(gè)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(gè)存儲(chǔ)單元使用2個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管和2個(gè)電容，稱為“雙管雙容”（2T2C），每個(gè)存儲(chǔ)單元包括數(shù)據(jù)位和各自的參考位，簡(jiǎn)化的2T2C存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示。2001年Ramtron設(shè)計(jì)開發(fā)了更先進(jìn)的“單管單容”（1T1C）存儲(chǔ)單元。1T1C的FRAM所有數(shù)據(jù)位使用同一個(gè)參考位，而不是對(duì)于每一數(shù)據(jù)位使用各自獨(dú)立的參考位。1T1C的FRAM產(chǎn)品成本更低，而且容量更大。簡(jiǎn)化的1T1C存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)（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(guò)電容上的電荷，而是由存儲(chǔ)單元電容中鐵電晶體的中心原子位置進(jìn)行記錄。直接對(duì)中心原子的位置進(jìn)行檢測(cè)是不能實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際的讀操作過(guò)程是：在存儲(chǔ)單元電容上施加一已知電場(chǎng)（即對(duì)電容充電），如果原來(lái)晶體中心原子的位置與所施加的電場(chǎng)方向使中心原子要達(dá)到的位置相同，中心原子不會(huì)移動(dòng)；若相反，則中心原子將越過(guò)晶體中間層的高能階到達(dá)另一位置，在充電波形上就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)尖峰，即產(chǎn)生原子移動(dòng)的比沒有產(chǎn)生移動(dòng)的多了一個(gè)類峰。把這個(gè)充電波形同參考位（確定且已知）的充電波形進(jìn)行比較，便可以判斷檢測(cè)的存儲(chǔ)單元中的內(nèi)容是“1”或“0”。

無(wú)論是2T2C還是1T1C的FRAM，對(duì)存儲(chǔ)單元進(jìn)行讀操作時(shí)，數(shù)據(jù)位狀態(tài)可能改變而參考位則不會(huì)改變（這是因?yàn)樽x操作施加的電場(chǎng)方向與原參考位中原子的位置相同）。由于讀操作可能導(dǎo)致存儲(chǔ)單元狀態(tài)的改變，需要電路自動(dòng)恢復(fù)其內(nèi)容，所以每個(gè)讀操作后面還伴隨一個(gè)“預(yù)充”（precharge）過(guò)程來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)位恢復(fù)，而參考位則不用恢復(fù)。晶體原子狀態(tài)的切換時(shí)間小于1ns，讀操作的時(shí)間小于70ns，加上“預(yù)充”時(shí)間60ns，一個(gè)完整的讀操作時(shí)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(chǎng)改變鐵電晶體的狀態(tài)就可以了，而無(wú)需進(jìn)行恢復(fù)。但是寫操作仍要保留一個(gè)“預(yù)充”時(shí)間，所以總的時(shí)間與讀操作相同。FRAM的寫操作與其它非易失性存儲(chǔ)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(shí)序

在FRAM讀操作后必須有個(gè)“預(yù)充電”過(guò)程，來(lái)恢復(fù)數(shù)據(jù)位。增加預(yù)充電時(shí)間后，F(xiàn)RAM一個(gè)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(shí)序。

3 FRAM與其它存儲(chǔ)技術(shù)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(shí)序兼容，可以直接替換，如Microchip、Xicor公司的同型號(hào)產(chǎn)品；并行FRAM價(jià)格較高但速度快，由于存在“預(yù)充”問題，在時(shí)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(diǎn)，讀寫速度快并可以像非易失性存儲(chǔ)器一樣使用。因鐵電晶體的固有缺點(diǎn)，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(shuō)在超過(guò)這個(gè)次數(shù)之后，F(xiàn)RAM就會(huì)報(bào)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(duì)FRAM的100億次訪問之后絕對(duì)不會(huì)有危險(xiǎn)。

圖3

    （2）FRAM與SRAM

從速度、價(jià)格及使用方便來(lái)看，SRAM優(yōu)于FRAM；但是從整個(gè)設(shè)計(jì)來(lái)看，F(xiàn)RAM還有一定的優(yōu)勢(shì)。

假設(shè)設(shè)計(jì)中需要大約3KB的SRAM，還要幾百個(gè)字節(jié)用來(lái)保存啟動(dòng)代碼的E2PROM配置。

非易失性的FRAM可以保存啟動(dòng)程序和配置信息。如果應(yīng)用中所有存儲(chǔ)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(gè)系統(tǒng)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。

（3）FRAM與DRAM

DRAM適用于那些密度和價(jià)格比速度更重要的場(chǎng)合。例如DRAM是圖形顯示存儲(chǔ)器的最佳選擇，有大量的像素需要存儲(chǔ)，而恢復(fù)時(shí)間并不是很重要。如果不需要下次開機(jī)時(shí)保存上次內(nèi)容，使用易失性的DRAM存儲(chǔ)器就可以。DRAM的作用與成本是FRAM無(wú)法比擬的。事實(shí)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(chǔ)器是Flash，它使用十分方便而且越來(lái)越便宜，程序存儲(chǔ)器必須是非易失性的，并且要相對(duì)低廉，還要比較容易改寫。而使用FRAM會(huì)受訪問次數(shù)的限制。

4 FRAM與單片機(jī)接口

下面介紹并行FRAM——FM1808與8051/52—的實(shí)際應(yīng)用。

4.1 預(yù)充電信號(hào)的產(chǎn)生

在大多數(shù)的8051系統(tǒng)中，對(duì)存儲(chǔ)器的片選信號(hào)CE通常允許在多個(gè)讀寫訪問操作時(shí)保持為低。但這對(duì)FM1808不適用，必須在每次訪問時(shí)CE由硬件產(chǎn)生一個(gè)正跳變。標(biāo)準(zhǔn)8051核的一個(gè)機(jī)器周期包括12個(gè)時(shí)鐘周期，ALE信號(hào)在每個(gè)機(jī)器周期中有效兩次，除了對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器訪問時(shí)僅有效一次。8051對(duì)外部存儲(chǔ)器的讀或?qū)懖僮餍枰獌蓚€(gè)機(jī)器周期?？焖傩?051如DS87C520或W77E58的一個(gè)機(jī)器周期僅需4個(gè)時(shí)鐘周期，而在一些新的，如Philips的8051中，一個(gè)機(jī)器周期為6個(gè)時(shí)鐘周期，在任何一個(gè)機(jī)器周期中ALE信號(hào)都有效兩次。盡管有這些不同，仍可以用ALE信號(hào)和地址片選來(lái)產(chǎn)生可用作FRAM訪問的CE信號(hào)。要保證對(duì)FM1808的正確訪問，必須注意兩點(diǎn)：

第一，F(xiàn)RAM的訪問時(shí)間必須大于70ns；

第二，ALE的高電平寬度必須大于60ns。

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的8051/52，ALE信號(hào)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(shí)現(xiàn)對(duì)FM1808的正常操作，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)8051/52來(lái)說(shuō)，主頻不能高于20MHz；而對(duì)于高速型的8051/52，主頻不應(yīng)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(hào)和由地址產(chǎn)生CE的片選信號(hào)相“或”來(lái)產(chǎn)生CE的正跳變。2片32K×8的FRAM存儲(chǔ)器，A15與ALE通過(guò)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(hào)與PSEN信號(hào)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(chǔ)器使用。當(dāng)J1跳接塊在右邊時(shí)，U2與U3用法相同；而J1跳接在左邊時(shí)，U2僅作為程序存儲(chǔ)器。要保證代碼不會(huì)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(shí)時(shí)間，在主頻較高時(shí)對(duì)應(yīng)使用快速型邏輯芯片（F系列）。

結(jié)語(yǔ)

FRAM產(chǎn)品為我們提供了可使用的存儲(chǔ)器的一種新選擇，在原來(lái)使用E2PROM的應(yīng)用中表現(xiàn)會(huì)更出色，為某些原來(lái)認(rèn)為需要使用SRAM的E2PROM的應(yīng)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(chǔ)器，FRAM還有很長(zhǎng)的路要走。