串行FRAM FM25H20原理及其应用

1 引言
    铁电存储器(FRAM)具有擦写次数多，读写速度快，抗干扰强，功耗低，读写无限次，数据不丢失等优点，已广泛应用于仪器仪表、航空航天、工业控制系统、网络设备、自动取款机等领域。美国Ramtron公司铁电存储器的核心技术是采用铁电晶体材料。这一特殊材料使铁电存储器同时拥有随机存取记忆体(RAM)和非易失性存储器特性。与EEPROM和Flash非易失性存储器相比，FRAM在单片容量、单元密度、写入速度、擦除速度、功耗、成本等方面具有更大的优势，因此，FRAM是大容量、高密度数据存储的理想方案。

2 FM25H20简介
    FM25H20是美国Ramton公司的2 MB串行非易失性的FRAM，其工作电压为2．7~3．6 V，采用先进的130 nm CMOS工艺，8引脚TDFN封装，具有256 KBx8位存储结构，总线读写速度高达40 MHz，无限次读写和低工作电流，并具有10年数据保存能力。此外，FM25H20还包含一个工业标准SPI接口，优化FRAM高速写入能力。并具有硬件和软件写保护功能。防止意外写入和数据破坏。该串行FRAM具有低工作电流，在40 MHz读写速度下，工作电流小于10 mA，待机时为80μA。FM25H20与其他同类串行Flash存储器引脚兼容，但性能远优于Flash存储器。

3 FM25H20的工作原理
3．1 存储器结构
    FM25H20是由存储阵列、数据输入输出缓冲和锁存、命令寄存器、非易失性数据寄存器、地址锁存与译码、指令译码、时钟信号发生器、控制逻辑、写保护等模块构成。其内部结构如图l所示。外部电路通过8位I／O端口分时访问FM25H20的命令寄存器、地址寄存器和数据寄存器，完成对其内部存储器的访问。

3．2 SPI工作方式
    FM25H20是串行FRAM，其内部存储结构为256 KB×8位，地址范围为00000H~3FFFFH，采用24位寻址方式。FM25H20寻址遵循SPI协议，该协议包括片选S，操作码C和2字节地址D。FM25H20支持SPI工作方式0和工作方式3。使用时，在S信号的下降沿时，根据时钟总线和数据总线的状态确定FM25H20的工作方式。SPI工作方式O和工作方式3的时序图分别如图2和图3所示。

3．3 操作指令
    FM25H20的SPI协议由操作指令控制。当片选信号S有效时(S=0)，FM25H20操作指令的第一个字节为命令字，紧接其后的是1l位有效地址和传输数据。FM25H20操作指令共有7条，分为3类如表1所示。其中，第一类指令为不接任何操作数，用于完成某一特定功能。包括WREN和WRDI指令；第二类指令为接一个字节．用于对状态寄存器的操作，包括RDSR和WRSR指令；第三类指令可对存储器进行读写操作，该类指令后紧接存储器地址和一个或多个地址数据，包括READ和WRITE指令。所有的指令，其地址和数据都是以MSB(最高有效位)在前的方式传输。

3．4 状态寄存器和写保护
    FM25H20具有硬件和软件双重写保护功能。首先，在写操作之前，必须先用WREN指令对写使能锁存器置位；其次，在写操作允许的情况下．设置状态寄存器，使WPEN位置l并且使W引脚为低电平。FM25H20的状态寄存器格式如表2所列。其中，bitO，bit4，bit5恒为0，bit6为l'bit7、bit3和bit2为写保护控制位；bitl是写使能锁存器状态位；bit3和bit2为存储器存储区间(块)的写保护位。

3．5 写操作
    FM25H20写操作先发送WREN指令，再发送WRITE指令。WRITE指令后接3个字节的地址，这24位地址中的高6位为任意码，低18位地址为要写入的首字节数据的有效地址，该地址后面为要写入的数据。若输人的数据大于1个，那么第一个数据后的数据存储地址由FM25H20内部依次增加给出。当地址达到3FFFFH时，地址计数器置为00000H，输入数据是以最高有效位(MSB)在前，最低有效位(LSB)在后的顺序传输的。
3．6 读操作
    在S信号下降沿发送READ指令，在READ指令后紧接发送3个字节的地址。当发送完指令和地址后，可忽略数据线操作。数据总线等待8个时钟信号，依次读取数据。当地址达到3FFFFH时，地址计数器置为00000H，输入数据是以MSB在前，LSB在后的顺序传输的。

4 FM25H20的典型应用
4．1 FM25H20与通用单片机的连接
    AT89S52是一款低功耗、8位高性能CMOS单片机，片内含8 K字节ISP的可反复擦写l 000次的Flash只读程序存储器。该器件采用高密度，非易失性存储技术．兼容标准MCS一5l指令系统及80C5l引脚结构。内部集成有通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元。图4给出AT89S52与FM25H20的接口电路图。

    AT89S52对FM25H20的写操作流程图如图5所示。该项流程图适用于一般单片机对FM25H20的写操作．FM25H20存储数据的首址是10000H，所以可在FM25H20的10000H~3FFFFH地址范围内存储控制系统的重要参数．而将00000H~0FFFFH地址留给用户。FM25H20数据首址可根据具体应用进行修改。

4．2 FM25H20与带SPI总线的单片机的连接
    ATmegal69V是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。该器件片内含有3个模式灵活的定时器，计数器(T／C)、片内/外中断，可编程串行USART、具有起始条件检测器的通用串行接口、8路10位A／D转换器、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、SPI串行端口、16 K字节的系统内可编程Flash、512字节EEPROM、l K字节SRAM等。ATmegal69V和F。M25H20可通过SPI总线传输数据和控制命令。其接口电路如图6所示。

5 结语
    介绍了FM25H20型FRAM的主要特性和使用方法，给出了单片机与FM25H20的接口电路图和对FM25H20的写操作流程图，归纳出任何一款8位数据总线宽度在计算机系统使用FM25H20的方法。由于铁电存储器在数据存储方面的出色性能，因此，它可应用于如水表，电表，煤气表，门禁系统，医疗设备，自动取款机，汽车记录仪，电子仪器等仪器仪表中。随着技术发展，铁电存储器具有良好的应用前景。