在嵌入式設(shè)計(jì)中將FRAM用作閃存的替代方案

如今，有多種存儲(chǔ)技術(shù)均具備改變嵌入式處理領(lǐng)域格局的潛力。然而，迄今為止還沒有哪一種技術(shù)脫穎而出成為取代微控制器(MCU)中閃存技術(shù)的強(qiáng)勁競(jìng)爭(zhēng)者，直到FRAM的出現(xiàn)這種情況才得以改變。鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(FRAM)是一種非易失性的獨(dú)立型存儲(chǔ)技術(shù)，本文將論述FRAM的主要技術(shù)屬性，同時(shí)探討可充分展現(xiàn)FRAM優(yōu)勢(shì)的具體用例。

FRAM是什么

FRAM為非易失性存儲(chǔ)器，其功耗、可寫入次數(shù)、讀/寫速度均與常用的靜態(tài)RAM(SRAM)很相似。存儲(chǔ)在FRAM單元中的信息對(duì)應(yīng)于鐵電晶體的極化狀態(tài)，即使在電源移除之后亦能保存其內(nèi)容。正是這一特點(diǎn)使FRAM擁有了真正的非易失性。而且，與閃存單元的編程相比，晶體極化所需的電能消耗相對(duì)較低，因此FRAM寫入操作的功耗天生就比閃存的要低。

下面介紹的是目前幾種采用了閃存技術(shù)的微控制器的典型應(yīng)用。我們從中可以了解到，采用基于FRAM的MCU(而不是基于閃存的MCU)是如何實(shí)現(xiàn)成本、能耗與效率優(yōu)化的。

數(shù)據(jù)錄入

典型的數(shù)據(jù)錄入應(yīng)用(比如：溫度數(shù)據(jù)錄入器)能以介于1Hz至1000Hz之間的速率進(jìn)行采樣。 我們知道閃存中單個(gè)字節(jié)的寫入時(shí)間約為75μs。相比之下，F(xiàn)RAM技術(shù)的寫入速率則可達(dá)到大約每125ns一個(gè)字節(jié)。這種寫入速度比閃存快了將近 1000倍!我們考慮一下：當(dāng)應(yīng)用達(dá)到某個(gè)閃存段的末端并需要移動(dòng)至下一個(gè)閃存段時(shí)，會(huì)突然出現(xiàn)20ms的延遲，以等待完成一個(gè)段擦除。

這種擦除延遲并不適用于FRAM，因?yàn)樗恍枰趯懭氩僮髦g對(duì)FRAM字節(jié)進(jìn)行預(yù)擦除。每個(gè)閃存段20ms的延遲似乎沒那么令人望而卻步，但當(dāng)我們計(jì)算出其對(duì)最大寫入速度的顯著影響之后就不這么看了。為了方便本文的討論，假定寫入的內(nèi)存區(qū)塊的長度為512字節(jié)。一個(gè)閃存區(qū)塊每秒鐘可進(jìn)行26次寫操作(包括每寫入512字節(jié)時(shí)完成一個(gè)擦除周期所需的時(shí)間)。這為我們提供了13kBps的總速度。

與之相比，一個(gè)512字節(jié)FRAM區(qū)塊的寫入速度則可超過8MBps。并不是每一種應(yīng)用都要求如此高的寫入速度，假設(shè)您的目標(biāo)應(yīng)用只需要每秒1kB的寫入速度，那么采用閃存技術(shù)的MCU將在7% 時(shí)間里處于運(yùn)行狀態(tài)以執(zhí)行寫入操作。然而，F(xiàn)RAM MCU則僅需0.07%的運(yùn)行時(shí)間即可完成該項(xiàng)任務(wù)，這使得MCU能在99.9%的時(shí)間里保持待機(jī)狀態(tài)，從而顯著地節(jié)省能耗。

能量收集

當(dāng)今的許多應(yīng)用都專注于使用更加清潔的綠色能源，這些能源取自諸如陽光、振動(dòng)、熱量或機(jī)械變化等自然資源。此類應(yīng)用依賴于小的突發(fā)能量(其能以短的時(shí)間間隔提供電能)，而MCU通常是在失去電源前的最后時(shí)刻決定可執(zhí)行多少行代碼?；陂W存的應(yīng)用非常重視功耗，這不僅是由于閃存存取時(shí)的平均功耗較高，同時(shí)也是因?yàn)殚W存寫入過程中的峰值功耗較高所致。

該峰值功耗主要是由于使用充電泵而引起的，最高數(shù)值可達(dá)到7mA，因而使得非易失性寫入操作在能量收集領(lǐng)域幾乎是行不通的。而采用FRAM時(shí)沒有充電泵;于是，不存在大電流的寫入操作。對(duì)FRAM進(jìn)行寫操作時(shí)的平均功耗與FRAM讀操作或采用FRAM的執(zhí)行操作相同(即：未損害非易失性寫入操作，從而使FRAM成為適合能量收集應(yīng)用的真正靈活的可選方案)。

RFID標(biāo)簽

射頻識(shí)別(RFID)標(biāo)簽開始逐漸出現(xiàn)在許多場(chǎng)所：商店貨架(用于顯示商品價(jià)格)、各類會(huì)議(胸卡)以及工業(yè)自動(dòng)化車間(用于標(biāo)明和識(shí)別傳送帶上的物體)。部分此類應(yīng)用每天需要進(jìn)行多達(dá)100次的存儲(chǔ)器寫入操作。

假設(shè)一個(gè)典型壽命為1萬次寫入/擦除的閃存字節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)10萬次寫入/擦除的壽命，應(yīng)用將需要為每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)留出10個(gè)閃存字節(jié)，從而以高冗余度為代價(jià)來滿足壽命要求。

相比之下，一個(gè)FRAM存儲(chǔ)器字節(jié)的壽命可達(dá)1015次寫入/擦除，這是一個(gè)閃存字節(jié)的1000億倍。對(duì)于那些要求幾百萬次寫入/擦除之高壽命的應(yīng)用，F(xiàn)RAM的壽命指標(biāo)是目前可用的其他嵌入式非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)所無法比擬的。

手持式測(cè)量

在對(duì)掉電現(xiàn)象高度關(guān)注的手持式測(cè)量中，血糖測(cè)量便是一個(gè)例子。在由于使用了電量耗盡的電池而導(dǎo)致供電故障的情況下，血糖計(jì)需要保存一個(gè)時(shí)間戳、保存電源發(fā)生故障時(shí)的讀數(shù)、甚至還可能在關(guān)斷之前執(zhí)行幾項(xiàng)數(shù)學(xué)函數(shù)運(yùn)算。

我們?cè)O(shè)想一種采用電荷耗盡之電池且基于閃存的測(cè)量應(yīng)用，電源電壓的下降可被近似為：在 0.01秒的時(shí)間里至300mV左右。在這段時(shí)間中，可寫入多達(dá)8萬個(gè)FRAM字節(jié)，而相比之下閃存字節(jié)則只能寫入8千字節(jié)左右。然而，這還沒有把閃存寫入操作的高峰值電流及平均電流要求等因素考慮在內(nèi)，這種大電流需求將迅速消耗電池電量，最終導(dǎo)致電池的后備供電能力顯著下降。

電源故障過程中系統(tǒng)后備的另一個(gè)用例是電能計(jì)量，此時(shí)，能耗數(shù)據(jù)必需保存在非易失性存儲(chǔ)器之中，直到供電恢復(fù)為止。在此類場(chǎng)合中，系統(tǒng)后備期間的電能使用情況是至關(guān)緊要的，因?yàn)楹髠潆姵仉娫吹钠谕褂闷谙揲L達(dá)10年之久。

對(duì)于種類繁多、數(shù)量龐大的應(yīng)用而言，F(xiàn)RAM不僅提供了差異化、同時(shí)亦可能是唯一可行的選項(xiàng)。如需對(duì)基于FRAM的MCU進(jìn)行測(cè)試驅(qū)動(dòng)，不妨試用由德州儀器公司提供的MSP430FR57xx系列，樣片可免費(fèi)獲得。

FRAM能減少系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)效率和降低復(fù)雜性，同時(shí)具有遠(yuǎn)低于閃存的功耗。如果您現(xiàn)有的基于閃存的MCU應(yīng)用存在能耗、寫入速度、使用壽命或電源故障后備方面的局限，那么或許這正是轉(zhuǎn)向FRAM的契機(jī)。

圖1：FRAM可實(shí)現(xiàn)連續(xù)的超低功耗數(shù)據(jù)錄入，并支持超過15萬年的連續(xù)數(shù)據(jù)錄入(對(duì)比之下，采用閃存時(shí)則需不到7分鐘的時(shí)間)。

圖2：一體化 - FRAM微控制器可提供最大的讀取、寫入、功耗與存儲(chǔ)器優(yōu)勢(shì)。