嵌入式系统的高速度大容量非易失随机数据存储

1 常见高速度大容量非易失随机数据存储
    高速度、大容量、非易失、随机存储是现代嵌入式应用体系数据存储的迫切需要，特别是大量的测／控过程参变量、音／视频数据、高速通信数据包、可变配置文件等的存储。高速度是指存取访问速度快，对于并行接口存储器为几到几十秒级，对于串行存储器波特率为几百kbps到几十Mbps。大容量是指以尽可能小的芯片体积得到尽可能大的数据存储密度，通常为几百千位到几百兆位。非易失是指存储数据不会因上／掉电和外界干扰而变化消失。随机存储是指可以对数据存储陈列的任何地址以任何大小存取访问。显然，还应该做到形小、价廉、易用。
    面对这些需求，自然会想到SRAM(Static Random Access Memory，静态随机访问存储器)、DRAM(Dynamic RAM，动态存储器)和Flash(Flash Memory，闪速存储器)。SRAM速度快、存取访问随机、接口简单、操作控制简易，DRAM存储容量大，Flash数据非易失。嵌入式应用体系中需要的就是这些类型存储器的优势综合和缺陷回避的改进型或新型存储器件。
    能够部分或全部满足“高速度、大容量、非易失、随机数据存取访问”的存储器件主要有6种，如图1所示。

    常用高速度大容量非易失存储器件的接口类型如图2所示。

    特别指出：文中存储器的速度是指读／写操作访问存储器的速率，实际应用中并行存储器速度常用一次读／写操作的时间周期表示，如70～140 ns；串行存储器常用每秒读／写操作的二进制位数(即时间频率)表示，如25MHz。

2 高速度大容量非易失随机存储器件综述
2．1 电擦除可编程存储器E2PROM
    电擦除可编程只读存储器E2PROM(Electrically Erasable Programmable ROM)是基于浮栅型场效应管的隧道效应现象使浮栅带电或不带电从而进行数据存储的。E2PROM器件具有非易失性，可随时改写。其工作方式有3种：读、写、擦除。读操作速度很快，写与擦除操作往往时间很长，常用“页写／擦除”形式，并用RAM缓冲以提高擦除速度，还有若干“页”构成的扇区擦除和整体擦除。
    E2PROM器件的重复擦写次数在102～105次，掉电数据保存时间达10年，通常为5V、3．3V、3V、2．7V、2．5V或1．8V单电源供电。Saifun提出的Quad NROM新技术，使传统存储单元上存储的数据信息扩大了一倍，同时也大大提高了读／写访问速度。该项技术应用于E2PROM产生了很多大密度、高速度、小体积存储器件。
    常用E2PROM器件有8位并行的E。PROM和SPI、I2C、1-wire等串行E2PROM。器件命名常带“C”，如“25C”。并行E2PROM容量在2～512 KB，速度为100～300 ns，如Atmel公司的5 V／512 KB的AT28C020、3．3 V／128 KB 的 AT28LV010、 3 V／64 KB 的AT28BV256，以及Mcrochip公司的28C04／16／17／32／64A等。
    1一wire串行E2PROM多为低功耗器件，6或8脚的SO、SOT、TSOC或CSP封装，容量为256位～4 Kb，“页”模式写操作，具有WP或SHA一1数据写保护机制。
    Maxim公司供应不同规格的该类器件，型号为DS243x，如电源电压为2．8～5．5 V、容量为1 Kb的DS2432。
    I2C串行E2PROM容量为128位～1 Mb，低功耗，支持字节／页模式写操作，多为8脚SMD小型封装。通常有3种速度：100 kHz(标速)、400 kHz(高速)和1 MHz(全速)。采用Quad NRoM技术的该类存储器可以达到3．4 MHz，不少I2C串行E2PROM具有硬件或软件数据保护机制。Microchip、Atmel、Firechild、Saifun、Samsung、Infineon、Catalyst等很多半导体厂商生产I2C这类器件。
    SPI串行E2PROM容量为256位～4 Mb，多以页模式进行写操作，带有页缓冲RAM，有软件／硬件数据保护机制。这类器件多是作为从器件工作在SPI总线协议的模式O或模式3。Xicor、Mierochip、Atmel、Saifun等很多半导体厂商生产该类器件，如4 Mb AT254096和SA25C040。
2．2 闪速存储器Flash
    Flash是在E2PROM的基础上发展而来的，它通过向多晶硅浮栅极充电至不同的电平来对应不同的阈电压而代表不同的数据。Flash存储单元有2种基本类型结构：单级单元SLC(Single-Level Cell)和多级单元MLC(Multi-Level Cell)。传统的SLC存储单元只有2个阈电压(O／1)，只能存储1位信息。MLC的每个存储单元中有4个阈电压(OO／01／10／11)，可以存储2位信息；MLC技术能够得到大的存储容量，Saifun的Quad NROM技术也是用类似的机理提高存储容量的。
    根据存储单元的组合形式差异，Flash主要有两种类型：“或非NOR”和“与非NAND”。
    NOR Flash也称为“Linear Flash”，拥有独立的数据总线和地址总线，能快速随机读取，可以单字节／单字编程，但必须以块为单位或整片执行擦除，重新编程之前必须进行擦除操作。NOR Flash擦除和编程速度较慢，容量不大，最大为几百Mb。
    NAND Flash中数据线与地址线复用，以页(256或512字节)为单位进行读和编程操作，以块(4／8／16 KB)为单位进行擦除操作，编程和擦除的速度较快，随机读取速度慢且不能按字节随机编程。这类器件尺寸小，引脚少，成本低，容量大(可达几千Mb)。早期芯片含有失效块，采用UltraNAND技术后有效地消除了失效块。现代的NAND Flash常内含1～2级的缓冲SRAM，“页”访问速度更快了。
    常用Flash是8位或16位的并行存储器和SPI接口，存储器，器件标识多含“F”，如“25Fxxx”。并行Flash的速度通常为40～150 ns，使用寿命在103～106次。Intel、Sharp、Toshiba等公司生产系列化的并行NOR Flash，Samsung、Toshiba、Fujistu、Sandisk等公司生产系列化的并行NAND Flash。并行Flash中，以NAND型应用最多。
    SPI Flash以“页”模式写入，每次写入的字节数限制页内，写前必须进行“页”、“扇区(若干页)”或整体擦除，片内含有与“页”等大小的RAM缓冲，速度较快。这类器件多为大容量、低功耗、低电源供电器件，具有硬件／软件数据保护机制，8引脚封装，引脚兼容同种规格的SPIE2PROM。需要注意的是，写或擦除前必须进行“写使能”操作。Atreel与Saifun等公司提供系列化的SPI Flash，容量可达4 Mb。Atmel器件，派生自E2PROM，频率可达33 MHz；Saifun器件，采用其独特的Quad NROM技术，频率可达50 MHz。SPI Flash在便携式消费电子中应用广泛。典型的高速度大容量SPI Flash如AT25F4096、SA25F040等。
2．3 电池后备静态随机存储器BBSRAM
    电池后备静态数据存储器BBSRAM(Battery Backup SRAM)，其基本构成形式是“SRAM+微型锂电池”。正常工作时SRAM由外部电源供电并可对内嵌的锂电充电，掉电后芯片内含的控制与保护逻辑电路能迅速、可靠地把SRAM切换到锂电池供电，可以保持SRAM数据长达10年，从而做到SRAM数据不易失。BBSRAM的正常操作就是对SRAM的直接访问，读／写速度快，随机性强。BBSRAM的缺陷是：封装体积大，需要占用较大的PCB(Printed Circuit Board)空间；同时由于BBSRAM使用锂电，存在着可能的电池泄漏等环保问题，不符合RoHS标准。
    常用的BBSRAM是8位的并行存储器件，读／写访问速度为50～150 ns，容量可达128 Mb，5／3．3 V电源供应，接口引脚兼容同种规格的SRAM器件，一些器件还有软硬件数据保护机制。常见的BBSRAM有美新宏控公司的基本硬件保护型8位HKl2系列、增强硬件型8位HKl2DP系列、硬软件保护型8位OKS系列，ST与Maxim公司的零功耗BBSRAM系列、带实时时钟的BBSRAM系列等。典型的大容量器件如8M×8位的HK／OKSl295、16M×8位的HK／OKS1285等。
2．4 非易失静态随机存储器NVSRAM
    非易失静态随机存储器NVSRAM(None—VolatileSRAM)，采用SRAM+E2PROM方式，正常的读／写操作都在SRAM中进行，只有在掉电或者需要存储时才会把数据存储到E2PROM中去。NVSRAM通过一个外接电容来完成上电和掉电时的数据召回和存储：掉电时由电容放电提供电源，把SRAM里面的数据拷贝到E2PROM中；检测到系统上电后再把E2PROM中的数据拷贝到SRAM中，使系统正常运行。NVSRAM有3种存储方式：自动存储、硬件存储和软件存储。有2种召回(Recall)操作方式：自动RECALL和软件RECALL。存储过程包括2个步骤：擦除之前E2PROM的内容，把当前SRAM的数据保存到E2PROM中。召回过程也包括2个步骤：清除之前SRAM的内容，把E2PROM的数据拷贝到SRAM中。自动存储或召回由器件内含的逻辑监控电路完成，硬件存储由可控引脚外部实现，软件存储或召回通过软件由预定义的连续SRAM读操作来控制实现。
    常见NVSRAM是8位的并行存储器件，可以随机读／写访问，存取访问速度为15～45 ns，容量可达4Mb，引脚接口兼容同类型的SRAM。NVSRAM器件体积小，占用PCB空间小，通常有SOIC和SSOP两种封装，5／3．3V电源供电，器件使用寿命在10年以上，片内的E2PROM可以保存数据100年。Cypress、Maxim等公司都有系列化的NVSRAM器件，典型的NVSRAM器件如CYl4E256L(32K×8位)、DSl350Y／AB(512K×8位)等。
2．5 铁电晶体随机存储器FRAM
    铁电晶体随机存储器FRAM(Ferroelectric RAM)是Ramtron公司开发并推出的基于铁电晶体效应的高速非易失性存储器。铁电效应是指在铁电晶体上施加一定的电场时，晶体中心原子在电场的作用下运动，并达到一种稳定状态；移走电场，晶体中心原子仍会保持在原位置；铁电效应是铁电晶体所固有的一种与电磁作用无关的偏振极化特性。FRAM存储单元主要由电容和场效应管构成，由存储单元电容中铁电晶体的中心原子位置保存数据。
    FRAM速度很快，可以随机读／写访问，写前不需要擦除操作，功耗极低(约为E2PROM的1／20)，抗磁／电场干扰能力强。5 V器件的使用寿命是1014次，3．3 V器件几乎可以达到无限次，存储数据可以保持45～125年，其非易失性失效后还可以作为SRAM使用。读／写访问FRAM后，需要一个预充(precharge)过程恢复存储的数据位，读／写操作具有增加的预充电时间，这是FRAM所独有的。
    主要的FRAM有8／16位的并行FRAM和I2C、SPI接口的串行FRAM。FRAM器件以FMxxx开头，其封装和引脚分布与同类SRAM、E2PROM器件兼容。I2CFRAM的速度可达1MHz，容量可达512 Kb。SPIFRAM的速度可达40 MHz，容量可达2 Mb。并行FRAM的速度可达55 ns，读／写周期为110 ns，容量可达4 Mb。使用并行FRAM，由于存在“预充”，读／写操作时要特别注意微处理器与存储器的时序的对应统一。典型的高速度大容量FRAM器件有16位并行FM22L16、8位并行FM20L08、FMM24C512、FM25H20等。
2．6 磁阻式随机存储器MRAM
    磁阻性随机存储器MRAM(Magnetic-ResistiveRAM)基于GMR(Giant Magneto Resistive)薄膜技术，与硬盘驱动器原理相同，以磁性的方向为依据存储数据。其基本存储单元是磁隧道结(MTJ)结构，MTJ由固定磁层、薄绝缘隧道隔离层和自由磁层组成。向MTJ施加偏压时，被磁层极化的电子会通过一个称为“穿遂(Tunneling)”的过程，穿透绝缘隔离层；当自由层的磁矩与固定层平行时MTJ结构具有低电阻；而当自由层的磁矩方向与固定层反向平行时则具有高电阻，这就是电阻随磁性状态改变而变化的“磁阻”现象。相对于传统的“电荷”存储，“磁阻”存储有两个重要优点：磁场极性不会像电荷那样会随时间而泄漏，即使断电也能保持信息；两种状态之间转换磁场极性时不会发生电子和原子的实际移动，也就不会有所谓的失效机制。
    常见MRAM器件是8位或16位的并行存储器件，存取速度为25～100ns，读操作速度快，写操作速度稍慢。MRAM器件封装体积小，符合RoHS标准，引脚兼容同类型的SRAM器件，最大容量可达4Mb，功耗低，通常以3．3／3 V电源工作，使用寿命都在10年以上，现代很多MRAM器件已经几乎没有了使用次数限制。飞思卡尔等公司推出有系列化的MRAM器件，典型器件如1Mb的MROAl6A、4 Mb的MR2A16A／AV等。

3 高速度大容量非易失随机数据存储纵观
    各种高速度大容量非易失随机数据存储器性能对比如表1～表4所列。

    从E2PROM、Flash、BBSRAM到NVSRAM、FRAM、MRAM，每种类型的存储器都有各自的优势和不足。传统的E2PROM、Flash、BBSRAM存储器件符合传统操作习惯，具有价格上的优势，在中低档嵌入式产品中还有广泛的应用。但是，E2PROM和Flash存储器件需要写前擦除，E2PROM和NOR Flash容量有限，NAND Flash还要“页”模式操作，BBSRAM体积庞大且不符合RoHS环保标准，这些缺陷决定了它们迟早要让位于现代的NVSRAM、FRAM、MRAM器件。
    NVSRAM、FRAM、MRAM器件，在速度、容量、非易失性、随机操作、封装体积、功耗等性能方面具有很大优势，代表着现代高速度、大容量、非易失、随机数据存储器件的发展趋势。NVSRAM速度优势最强，美中不足的是需要外接满足特定要求的电容。FRAM器件种类齐全，特别是可以代替E2PROM和Flash的串行器件，但其操作速度不是最优，还有待提高。MRAM器件有显著的速度、容量、非易失、随机操作、体积、功耗优势，正在得到广泛应用。NVSRAM、FRAM、MRAM器件性价比很高，但是价格相对稍高些。

4 高速度大容量非易失随机存储器件选用
    为嵌入式应用系统选择非易失随机存储器件的一般步骤如下：
    ①根据设计产品功能需求，考虑需求的器件接口是并行的还是串行SPI或I2C的。并行接口器件运行速度快，便于软件操作，适合于大中型体系，如测／控板卡等；串行接口硬件电路简单，适合于消费类电子、便携式设备等。
    ②根据实际需求和价格成本因素选择合适类型的器件。并行存储器类型多，8／16位系列化器件多，选择余地很大。SPI器件，有E2PROM、Flash和FRAM类型。I2C器件只有E2PROM和FRAM类型。
    ③根据速度、容量、非易失性、随机访问便利性、封装体积、功耗等设计需求，以及上述一系列高速度、大容量、非易失、随机存储器件的对比分析，选择合适半导体厂家的具体存储器件。既要做到性能选择最优，又要兼顾投入成本。可以使用同一存储器件完成数据缓存、中间数据存储、非易失数据存储，这正是非易失随机数据存储的优势所在。

结 语
    E2PROM、Flash、BBSR．AM、NVSRAM、FRAM、MRAM等存储器及其系列化器件，为嵌入式应用系统的高速度、大容量、非易失、随机数据存储提供了广阔的选择空间。NVSRAM、FRAM、MRAM存储器，特别是FRAM和MRAM具有更高的性价比。有了这些高性能低成本器件，中间数据缓存、灵活参数配置、测／控变量存储、音／视频数据存储、高速通信数据包存储、程序代码可变存储等嵌入式系统设计，将变得更加灵活、高效和方便。