简述嵌入式系统的高速度大容量非易失随机数据存储
2018-06-23 12:57
来源:未知
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  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.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。非存储器在断电后不会丢失数据。而随机存储器以铁电物质为原料,通过电场,依靠铁电晶体的电极在两个稳定态之间转换实现数据的读写。铁电随机存储器具备非易失、读写速度快、工作电压低、数据存储时间长等优势,但是在容量方面一直没有突破。

  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不需要刷新电即能保存它内部存储的数据。而DRAM(Dynamic Random Access Memory)每隔一段时间,要刷新充电一次,否则内部的数据即会消失,因此SRAM具有较高的性能。DRAM(Dynamic Random Access Memory),即动态随机存取存储器最为常见的系统内存。DRAM 只能将数据保持很短的时间。为了保持数据,DRAM使用电容存储,所以 必须隔一段时间刷新(refresh)一次,如果存储单元没有被刷新,存储的信息就会丢失。 (关机就会丢失数据)

  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。

  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.

  EEPROM(电可擦写可编程只读存储器)是可用户更改的只读存储器(ROM),其可通过高于普通电压的作用来擦除和重编程(重写)。不像EPROM芯片,EEPROM不需从计算机中取出即可修改。在一个EEPROM中,当计算机在使用的时候是可频繁地重编程的,EEPROM的寿命是一个很重要的设计考虑参数。EEPROM的一种特殊形式是闪存,其应用通常是个人电脑中的电压来擦写和重编程。 EEPROM,一般用于即插即用(Plug Play)。常用在接口卡中,用来存放硬件设置数据。也常用在防止软件非法拷贝的硬件锁。

  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。

  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数据写机制。

  FLASH闪存英文名称是Flash Memory,一般简称为Flash,它属于内存器件的一种。 不过闪存的物理特性与常见的内存有根本性的差异: 目前各类 DDR 、 SDRAM 或者 RDRAM 都属于挥发性内存,只要停止电流供应内存中的数据便无法保持,因此每次电脑开机都需要把数据重新载入内存;闪存则是一种不挥发性( Non-Volatile )内存,在没有电流供应的条件下也能够长久地保持数据,其存储特性相当于硬盘,这项特性正是闪存得以成为各类便携型数字设备的存储介质的基础。

  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。

  SPI Flash以页模式写入,每次写入的字节数页内,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。

  BBSRAM需要电池(一般是锂电池)用以在外部供电出现故障或关断时供电。另外,它也不可能采用回流焊工艺,因为电池可能因此发生泄漏甚至爆炸。BBSRAM还需遵循欧盟有害物质限用指令(RoHS),这可能会给设计工程师带来极大的困难。RoHS指令在2003年2月份开始实施,是欧盟制定的一项,了某些电子电气产品制造过程中对6种有害材料的使用。虽然存在上述各种艰巨挑战,若系统需要每秒数千次的访问速度,BBSRAM仍不失为一种理想选择。BBSRAM中的静态RAM 允许无限的读写次数,非常适合那些需要频繁读写的存储器应用。

  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机制。常见的BBSRAM有美新宏控公司的基本硬件型8位HKl2系列、增强硬件型8位HKl2DP系列、硬软件型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。

  NVSRAM 为 Non-volatile SRAM缩写,即为非易失性SRAM.NVSRAM采用SRAM+EEPROM方式,实现了无须后备电池的非易失性存储,芯片接口、时序等与标准SRAM完全兼容。NVSRAM通常的操作都在SRAM中进行,只有当突然断电或者认为需要存储的时候才会把数据存储到EEPROM中去,当检测到系统上电后会把EEPROM中的数据拷贝到SRAM中,系统正常运行。其主要用于掉电时保存不能丢失的重要的数据,应用领域广泛。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电完成,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。

  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;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。

  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磁层组成。向MTJ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;当层的磁矩与固定层平行时MTJ结构具有低电阻;而当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: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。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。

  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器件有显着的速度、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。

  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,这正易失随机数据存储的优势所在。

  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。

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