简述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。非易失随机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，通过施加电场，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不需要刷新电路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。

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

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上面。

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

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，是欧盟制定的一项法令，限制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

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，只有当外界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。

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。