FRAM存儲器

WFRAM是由美國 Ramtron公司生產的非易失性鐵電介質讀寫存儲器。 其核心技術是鐵電晶體材料,這一特殊材料使得鐵電存貯產品同時擁有隨機存儲器(RAM) 和非易失性存儲器的特性。

基本原理

鐵電晶體材料的工作原理是: 當我們把電場載入到鐵電晶體材料上,晶陣中的中心原子會沿著電場方向運動,到達穩定狀態。晶陣中的每個自由浮動的中心原子只有兩個穩定狀態,一個我們記作邏輯 0,另一個記作邏輯 1。中心原子能在常溫﹑沒有電場的情況下停留在此狀態達一百年以上。 由於在整個物理過程中沒有任何原子碰撞,鐵電存儲器(FRAM)擁有高速讀寫,超低功耗和無限次寫入等特性。

特點

● 採用2048×8位存儲結構;

● 讀寫次數高達1百億次;

● 在溫度為55℃時,10年數據保存能力;

● 無延時寫入數據;

● 先進的高可靠性鐵電存儲方式;

● 連線方式為高速串列接口(SPI)匯流排方式,且具有SPI方式0和3兩種方式;

● 匯流排頻率高達5MHz;

● 硬體上可直接取代E;

● 具有先進的防寫設計,包括硬體保護和軟體保護雙重保護功能;

● 低功耗,待機電流僅為10μA;

● 採用單電源+5V供電;

● 工業溫度範圍:-40℃至+85℃;

● 採用8腳SOP 或DIP封裝形式;

基於以上特點, FRAM存儲器非常適用於非易失性且需要頻繁快速存儲數據的場合。其套用範圍包括對寫周期時序有嚴格要求的數據採集系統和使用EEPROM時由於其寫周期長而可能會引起數據丟失的工業控制等領域。

說明

(1) 早期的FRAM讀/寫速度不一樣,寫入時間更長一些,在使用上要注意。近期的FRAM讀/寫速度是一樣的。例如,上述FM1808的一次讀/寫時間為70 ns。一般地,一次讀/寫的時間短,而連續的讀/寫周期要長一些。例如,Ramtron公司新近推出的128 K×8 bit的FRAM晶片FM20L08的一次讀/寫時間為60ns,而其連續的讀/寫周期為150 ns。這對多數工控機來說還是可以滿足要求的。

(2) FRAM在功耗、寫入速度等許多方面都遠遠優於EPROM或EEPROM。這裡特別提出的是寫入次數,FRAM比EPROM或EEPROM要大得多。EPROM的寫入次數在萬次左右,而EEPROM的寫入次數一般為1萬~10萬次,個別晶片能達到100萬次。

早期的FRAM的寫入次數為幾百億次,而目前的晶片可達萬億次甚至是無限多次。

(3) 在FRAM家族中,除了上述並行的FRAM晶片外,還有串列FRAM晶片。與串列EEPROM一樣,串列FRAM只能用作外存。顯然,利用串列FRAM可以構成IC卡。

指令集

以FM25C160為例,其SPI協定有操作指令來控制。當片選信號有效時(/CS=0) ,對FM25C160 操作的第一個位元組為命令字,緊接其後的是 11 位有效地址和傳送數據。FM25C160 操作指令集(如表2所示)共有6條指令,可分為3類:

第一類為指令後不接任何運算元,該類指令用於完成某一特定功能。包括WREN 和WRDI;第二類為指令之後接一個位元組,這類指令可用來完成對狀態暫存器的操作。

包括RDSR和WRSR;第三類是對存儲器進行讀寫操作的指令, 該類指令之後緊接著的是存儲器地址和一個或多個地址數據。包括READ和WRITE。

所有的指令,地址與數據都是以MSB(最高有效位)在前的方式傳送。

典型套用

FRAM技術的多功能性滿足多種不同的套用。很明顯,更高的讀寫次數和更快的讀寫速度使得FRAM在可多次編程套用中比EEPROM性能更加優越。 其套用主要包括:數據採集和記錄,存儲配置參數(Configuration/Setting Data),非易失性緩衝(buffer)記憶和SRAM的取代和擴展等。

下面給出AT89C51與FM25C160的接口電路圖及對FM25C160的寫操作流程圖。該套用系統可在FM25C160晶片的400H~7FFH地址範圍存放控制系統的重要參數,而將其餘的000H~3FFH留給用戶使用。

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