嵌入式系統(tǒng)中高速度大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件的綜合介紹

1 常見高速度大容量非易失隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

高速度、大容量、非易失、隨機(jī)存儲(chǔ)是現(xiàn)代嵌入式應(yīng)用體系數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的迫切需要，特別是大量的測(cè)/控過程參變量、音/視頻數(shù)據(jù)、高速通信數(shù)據(jù)包、可變配置文件等的存儲(chǔ)。高速度是指存取訪問速度快，對(duì)于并行接口存儲(chǔ)器為幾到幾十秒級(jí)，對(duì)于串行存儲(chǔ)器波特率為幾百kbps到幾十Mbps.大容量是指以盡可能小的芯片體積得到盡可能大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度，通常為幾百千位到幾百兆位。非易失隨機(jī)存儲(chǔ)器在斷電后不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。而隨機(jī)存儲(chǔ)器以鐵電物質(zhì)為原料，通過施加電場(chǎng)，依靠鐵電晶體的電極在兩個(gè)穩(wěn)定態(tài)之間轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫。鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器具備非易失、讀寫速度快、工作電壓低、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間長等優(yōu)勢(shì)，但是在容量方面一直沒有突破。

面對(duì)這些需求，自然會(huì)想到SRAM（Static Random Access Memory,靜態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器）、DRAM（Dynamic RAM,動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器）和Flash（Flash Memory,閃速存儲(chǔ)器）。SRAM不需要刷新電路即能保存它內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。而DRAM（Dynamic Random Access Memory）每隔一段時(shí)間，要刷新充電一次，否則內(nèi)部的數(shù)據(jù)即會(huì)消失，因此SRAM具有較高的性能。DRAM（Dynamic Random Access Memory），即動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器最為常見的系統(tǒng)內(nèi)存。DRAM 只能將數(shù)據(jù)保持很短的時(shí)間。為了保持?jǐn)?shù)據(jù)，DRAM使用電容存儲(chǔ)，所以 必須隔一段時(shí)間刷新（refresh）一次，如果存儲(chǔ)單元沒有被刷新，存儲(chǔ)的信息就會(huì)丟失。 （關(guān)機(jī)就會(huì)丟失數(shù)據(jù)）

能夠部分或全部滿足"高速度、大容量、非易失、隨機(jī)數(shù)據(jù)存取訪問"的存儲(chǔ)器件主要有6種，如圖1所示。

常用高速度大容量非易失存儲(chǔ)器件的接口類型如圖2所示。

特別指出：文中存儲(chǔ)器的速度是指讀/寫操作訪問存儲(chǔ)器的速率，實(shí)際應(yīng)用中并行存儲(chǔ)器速度常用一次讀/寫操作的時(shí)間周期表示，如70~140 ns;串行存儲(chǔ)器常用每秒讀/寫操作的二進(jìn)制位數(shù)（即時(shí)間頻率）表示，如25MHz.

2 高速度大容量非易失隨機(jī)存儲(chǔ)器件綜述

2.1 電擦除可編程存儲(chǔ)器E2PROM

EEPROM（電可擦寫可編程只讀存儲(chǔ)器）是可用戶更改的只讀存儲(chǔ)器（ROM），其可通過高于普通電壓的作用來擦除和重編程（重寫）。不像EPROM芯片，EEPROM不需從計(jì)算機(jī)中取出即可修改。在一個(gè)EEPROM中，當(dāng)計(jì)算機(jī)在使用的時(shí)候是可頻繁地重編程的，EEPROM的壽命是一個(gè)很重要的設(shè)計(jì)考慮參數(shù)。EEPROM的一種特殊形式是閃存，其應(yīng)用通常是個(gè)人電腦中的電壓來擦寫和重編程。 EEPROM,一般用于即插即用（Plug & Play）。常用在接口卡中，用來存放硬件設(shè)置數(shù)據(jù)。也常用在防止軟件非法拷貝的"硬件鎖"上面。

E2PROM器件的重復(fù)擦寫次數(shù)在102~105次，掉電數(shù)據(jù)保存時(shí)間達(dá)10年，通常為5V、3.3V、3V、2.7V、2.5V或1.8V單電源供電。Saifun提出的Quad NROM新技術(shù)，使傳統(tǒng)存儲(chǔ)單元上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息擴(kuò)大了一倍，同時(shí)也大大提高了讀/寫訪問速度。該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于E2PROM產(chǎn)生了很多大密度、高速度、小體積存儲(chǔ)器件。

常用E2PROM器件有8位并行的E.PROM和SPI、I2C、1-wire等串行E2PROM.器件命名常帶"C",如"25C".并行E2PROM容量在2~512 KB,速度為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多為低功耗器件，6或8腳的SO、SOT、TSOC或CSP封裝，容量為256位~4 Kb,"頁"模式寫操作，具有WP或SHA一1數(shù)據(jù)寫保護(hù)機(jī)制。

Maxim公司供應(yīng)不同規(guī)格的該類器件，型號(hào)為DS243x,如電源電壓為2.8~5.5 V、容量為1 Kb的DS2432.

I2C串行E2PROM容量為128位~1 Mb,低功耗，支持字節(jié)/頁模式寫操作，多為8腳SMD小型封裝。通常有3種速度：100 kHz（標(biāo)速）、400 kHz（高速）和1 MHz（全速）。采用Quad NRoM技術(shù)的該類存儲(chǔ)器可以達(dá)到3.4 MHz,不少I2C串行E2PROM具有硬件或軟件數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制。Microchip、Atmel、Firechild、Saifun、Samsung、Infineon、Catalyst等很多半導(dǎo)體廠商生產(chǎn)I2C這類器件。

SPI串行E2PROM容量為256位~4 Mb,多以頁模式進(jìn)行寫操作，帶有頁緩沖RAM,有軟件/硬件數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制。這類器件多是作為從器件工作在SPI總線協(xié)議的模式O或模式3.Xicor、Mierochip、Atmel、Saifun等很多半導(dǎo)體廠商生產(chǎn)該類器件，如4 Mb AT254096和SA25C040.

2.2 閃速存儲(chǔ)器Flash

FLASH閃存英文名稱是"Flash Memory",一般簡稱為"Flash",它屬于內(nèi)存器件的一種。 不過閃存的物理特性與常見的內(nèi)存有根本性的差異： 目前各類 DDR 、 SDRAM 或者 RDRAM 都屬于揮發(fā)性內(nèi)存，只要停止電流供應(yīng)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)便無法保持，因此每次電腦開機(jī)都需要把數(shù)據(jù)重新載入內(nèi)存；閃存則是一種不揮發(fā)性（ Non-Volatile ）內(nèi)存，在沒有電流供應(yīng)的條件下也能夠長久地保持?jǐn)?shù)據(jù)，其存儲(chǔ)特性相當(dāng)于硬盤，這項(xiàng)特性正是閃存得以成為各類便攜型數(shù)字設(shè)備的存儲(chǔ)介質(zhì)的基礎(chǔ)。

根據(jù)存儲(chǔ)單元的組合形式差異，F(xiàn)lash主要有兩種類型："或非NOR"和"與非NAND".

NOR Flash也稱為"Linear Flash",擁有獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線和地址總線，能快速隨機(jī)讀取，可以單字節(jié)/單字編程，但必須以塊為單位或整片執(zhí)行擦除，重新編程之前必須進(jìn)行擦除操作。NOR Flash擦除和編程速度較慢，容量不大，最大為幾百M(fèi)b.

NAND Flash中數(shù)據(jù)線與地址線復(fù)用，以頁（256或512字節(jié)）為單位進(jìn)行讀和編程操作，以塊（4/8/16 KB）為單位進(jìn)行擦除操作，編程和擦除的速度較快，隨機(jī)讀取速度慢且不能按字節(jié)隨機(jī)編程。這類器件尺寸小，引腳少，成本低，容量大（可達(dá)幾千Mb）。早期芯片含有失效塊，采用UltraNAND技術(shù)后有效地消除了失效塊?，F(xiàn)代的NAND Flash常內(nèi)含1~2級(jí)的緩沖SRAM,"頁"訪問速度更快了。

常用Flash是8位或16位的并行存儲(chǔ)器和SPI接口，存儲(chǔ)器，器件標(biāo)識(shí)多含"F",如"25Fxxx".并行Flash的速度通常為40~150 ns,使用壽命在103~106次。Intel、Sharp、Toshiba等公司生產(chǎn)系列化的并行NOR Flash,Samsung、Toshiba、Fujistu、Sandisk等公司生產(chǎn)系列化的并行NAND Flash.并行Flash中，以NAND型應(yīng)用最多。

SPI Flash以"頁"模式寫入，每次寫入的字節(jié)數(shù)限制頁內(nèi)，寫前必須進(jìn)行"頁"、"扇區(qū)（若干頁）"或整體擦除，片內(nèi)含有與"頁"等大小的RAM緩沖，速度較快。這類器件多為大容量、低功耗、低電源供電器件，具有硬件/軟件數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制，8引腳封裝，引腳兼容同種規(guī)格的SPIE2PROM.需要注意的是，寫或擦除前必須進(jìn)行"寫使能"操作。Atreel與Saifun等公司提供系列化的SPI Flash,容量可達(dá)4 Mb.Atmel器件，派生自E2PROM,頻率可達(dá)33 MHz;Saifun器件，采用其獨(dú)特的Quad NROM技術(shù)，頻率可達(dá)50 MHz.SPI Flash在便攜式消費(fèi)電子中應(yīng)用廣泛。典型的高速度大容量SPI Flash如AT25F4096、SA25F040等。

2.3 電池后備靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器BBSRAM

BBSRAM需要電池（一般是鋰電池）用以在外部供電出現(xiàn)故障或關(guān)斷時(shí)供電。另外，它也不可能采用回流焊工藝，因?yàn)殡姵乜赡芤虼税l(fā)生泄漏甚至爆炸。BBSRAM還需遵循歐盟有害物質(zhì)限用指令（RoHS），這可能會(huì)給設(shè)計(jì)工程師帶來極大的困難。RoHS指令在2003年2月份開始實(shí)施，是歐盟制定的一項(xiàng)法令，限制了某些電子電氣產(chǎn)品制造過程中對(duì)6種有害材料的使用。雖然存在上述各種艱巨挑戰(zhàn)，若系統(tǒng)需要每秒數(shù)千次的訪問速度，BBSRAM仍不失為一種理想選擇。BBSRAM中的靜態(tài)RAM 允許無限的讀寫次數(shù)，非常適合那些需要頻繁讀寫的存儲(chǔ)器應(yīng)用。

常用的BBSRAM是8位的并行存儲(chǔ)器件，讀/寫訪問速度為50~150 ns,容量可達(dá)128 Mb,5/3.3 V電源供應(yīng)，接口引腳兼容同種規(guī)格的SRAM器件，一些器件還有軟硬件數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制。常見的BBSRAM有美新宏控公司的基本硬件保護(hù)型8位HKl2系列、增強(qiáng)硬件型8位HKl2DP系列、硬軟件保護(hù)型8位OKS系列，ST與Maxim公司的零功耗BBSRAM系列、帶實(shí)時(shí)時(shí)鐘的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 非易失靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器NVSRAM

NVSRAM 為 Non-volatile SRAM縮寫，即為非易失性SRAM.NVSRAM采用SRAM+EEPROM方式，實(shí)現(xiàn)了無須后備電池的非易失性存儲(chǔ)，芯片接口、時(shí)序等與標(biāo)準(zhǔn)SRAM完全兼容。NVSRAM通常的操作都在SRAM中進(jìn)行，只有當(dāng)外界突然斷電或者認(rèn)為需要存儲(chǔ)的時(shí)候才會(huì)把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到EEPROM中去，當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)上電后會(huì)把EEPROM中的數(shù)據(jù)拷貝到SRAM中，系統(tǒng)正常運(yùn)行。其主要用于掉電時(shí)保存不能丟失的重要的數(shù)據(jù)，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。NVSRAM有3種存儲(chǔ)方式：自動(dòng)存儲(chǔ)、硬件存儲(chǔ)和軟件存儲(chǔ)。有2種召回（Recall）操作方式：自動(dòng)RECALL和軟件RECALL.存儲(chǔ)過程包括2個(gè)步驟：擦除之前E2PROM的內(nèi)容，把當(dāng)前SRAM的數(shù)據(jù)保存到E2PROM中。召回過程也包括2個(gè)步驟：清除之前SRAM的內(nèi)容，把E2PROM的數(shù)據(jù)拷貝到SRAM中。自動(dòng)存儲(chǔ)或召回由器件內(nèi)含的邏輯監(jiān)控電路完成，硬件存儲(chǔ)由可控引腳外部實(shí)現(xiàn)，軟件存儲(chǔ)或召回通過軟件由預(yù)定義的連續(xù)SRAM讀操作來控制實(shí)現(xiàn)。

常見NVSRAM是8位的并行存儲(chǔ)器件，可以隨機(jī)讀/寫訪問，存取訪問速度為15~45 ns,容量可達(dá)4Mb,引腳接口兼容同類型的SRAM.NVSRAM器件體積小，占用PCB空間小，通常有SOIC和SSOP兩種封裝，5/3.3V電源供電，器件使用壽命在10年以上，片內(nèi)的E2PROM可以保存數(shù)據(jù)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 鐵電晶體隨機(jī)存儲(chǔ)器FRAM

鐵電晶體隨機(jī)存儲(chǔ)器FRAM（Ferroelectric RAM）是Ramtron公司開發(fā)并推出的基于鐵電晶體效應(yīng)的高速非易失性存儲(chǔ)器。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)；移走電場(chǎng)，晶體中心原子仍會(huì)保持在原位置；鐵電效應(yīng)是鐵電晶體所固有的一種與電磁作用無關(guān)的偏振極化特性。FRAM存儲(chǔ)單元主要由電容和場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成，由存儲(chǔ)單元電容中鐵電晶體的中心原子位置保存數(shù)據(jù)。

FRAM速度很快，可以隨機(jī)讀/寫訪問，寫前不需要擦除操作，功耗極低（約為E2PROM的1/20），抗磁/電場(chǎng)干擾能力強(qiáng)。5 V器件的使用壽命是1014次，3.3 V器件幾乎可以達(dá)到無限次，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)可以保持45~125年，其非易失性失效后還可以作為SRAM使用。讀/寫訪問FRAM后，需要一個(gè)預(yù)充（precharge）過程恢復(fù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)位，讀/寫操作具有增加的預(yù)充電時(shí)間，這是FRAM所獨(dú)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開頭，其封裝和引腳分布與同類SRAM、E2PROM器件兼容。I2CFRAM的速度可達(dá)1MHz,容量可達(dá)512 Kb.SPIFRAM的速度可達(dá)40 MHz,容量可達(dá)2 Mb.并行FRAM的速度可達(dá)55 ns,讀/寫周期為110 ns,容量可達(dá)4 Mb.使用并行FRAM,由于存在"預(yù)充",讀/寫操作時(shí)要特別注意微處理器與存儲(chǔ)器的時(shí)序的對(duì)應(yīng)統(tǒng)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 磁阻式隨機(jī)存儲(chǔ)器MRAM

磁阻性隨機(jī)存儲(chǔ)器MRAM（Magnetic-ResistiveRAM）基于GMR（Giant Magneto Resistive）薄膜技術(shù)，與硬盤驅(qū)動(dòng)器原理相同，以磁性的方向?yàn)橐罁?jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。其基本存儲(chǔ)單元是磁隧道結(jié)（MTJ）結(jié)構(gòu)，MTJ由固定磁層、薄絕緣隧道隔離層和自由磁層組成。向MTJ施加偏壓時(shí)，被磁層極化的電子會(huì)通過一個(gè)稱為"穿遂（Tunneling）"的過程，穿透絕緣隔離層；當(dāng)自由層的磁矩與固定層平行時(shí)MTJ結(jié)構(gòu)具有低電阻；而當(dāng)自由層的磁矩方向與固定層反向平行時(shí)則具有高電阻，這就是電阻隨磁性狀態(tài)改變而變化的"磁阻"現(xiàn)象。相對(duì)于傳統(tǒng)的"電荷"存儲(chǔ)，"磁阻"存儲(chǔ)有兩個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)：磁場(chǎng)極性不會(huì)像電荷那樣會(huì)隨時(shí)間而泄漏，即使斷電也能保持信息；兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)極性時(shí)不會(huì)發(fā)生電子和原子的實(shí)際移動(dòng)，也就不會(huì)有所謂的失效機(jī)制。

常見MRAM器件是8位或16位的并行存儲(chǔ)器件，存取速度為25~100ns,讀操作速度快，寫操作速度稍慢。MRAM器件封裝體積小，符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)，引腳兼容同類型的SRAM器件，最大容量可達(dá)4Mb,功耗低，通常以3.3/3 V電源工作，使用壽命都在10年以上，現(xiàn)代很多MRAM器件已經(jīng)幾乎沒有了使用次數(shù)限制。飛思卡爾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隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)縱觀

各種高速度大容量非易失隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器性能對(duì)比如表1~表4所列。

從E2PROM、Flash、BBSRAM到NVSRAM、FRAM、MRAM,每種類型的存儲(chǔ)器都有各自的優(yōu)勢(shì)和不足。傳統(tǒng)的E2PROM、Flash、BBSRAM存儲(chǔ)器件符合傳統(tǒng)操作習(xí)慣，具有價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)，在中低檔嵌入式產(chǎn)品中還有廣泛的應(yīng)用。但是，E2PROM和Flash存儲(chǔ)器件需要寫前擦除，E2PROM和NOR Flash容量有限，NAND Flash還要"頁"模式操作，BBSRAM體積龐大且不符合RoHS環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，這些缺陷決定了它們遲早要讓位于現(xiàn)代的NVSRAM、FRAM、MRAM器件。

NVSRAM、FRAM、MRAM器件，在速度、容量、非易失性、隨機(jī)操作、封裝體積、功耗等性能方面具有很大優(yōu)勢(shì)，代表著現(xiàn)代高速度、大容量、非易失、隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件的發(fā)展趨勢(shì)。NVSRAM速度優(yōu)勢(shì)最強(qiáng)，美中不足的是需要外接滿足特定要求的電容。FRAM器件種類齊全，特別是可以代替E2PROM和Flash的串行器件，但其操作速度不是最優(yōu)，還有待提高。MRAM器件有顯著的速度、容量、非易失、隨機(jī)操作、體積、功耗優(yōu)勢(shì)，正在得到廣泛應(yīng)用。NVSRAM、FRAM、MRAM器件性價(jià)比很高，但是價(jià)格相對(duì)稍高些。

4 高速度大容量非易失隨機(jī)存儲(chǔ)器件選用

為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)選擇非易失隨機(jī)存儲(chǔ)器件的一般步驟如下：

①根據(jù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品功能需求，考慮需求的器件接口是并行的還是串行SPI或I2C的。并行接口器件運(yùn)行速度快，便于軟件操作，適合于大中型體系，如測(cè)/控板卡等；串行接口硬件電路簡單，適合于消費(fèi)類電子、便攜式設(shè)備等。

②根據(jù)實(shí)際需求和價(jià)格成本因素選擇合適類型的器件。并行存儲(chǔ)器類型多，8/16位系列化器件多，選擇余地很大。SPI器件，有E2PROM、Flash和FRAM類型。I2C器件只有E2PROM和FRAM類型。

③根據(jù)速度、容量、非易失性、隨機(jī)訪問便利性、封裝體積、功耗等設(shè)計(jì)需求，以及上述一系列高速度、大容量、非易失、隨機(jī)存儲(chǔ)器件的對(duì)比分析，選擇合適半導(dǎo)體廠家的具體存儲(chǔ)器件。既要做到性能選擇最優(yōu)，又要兼顧投入成本。可以使用同一存儲(chǔ)器件完成數(shù)據(jù)緩存、中間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、非易失數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，這正是非易失隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)所在。

結(jié) 語

E2PROM、Flash、BBSR.AM、NVSRAM、FRAM、MRAM等存儲(chǔ)器及其系列化器件，為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的高速度、大容量、非易失、隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供了廣闊的選擇空間。NVSRAM、FRAM、MRAM存儲(chǔ)器，特別是FRAM和MRAM具有更高的性價(jià)比。有了這些高性能低成本器件，中間數(shù)據(jù)緩存、靈活參數(shù)配置、測(cè)/控變量存儲(chǔ)、音/視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、高速通信數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)、程序代碼可變存儲(chǔ)等嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將變得更加靈活、高效和方便。