摘要：介紹鐵電存儲器（FRAM）的一般要領(lǐng)和基本原理，詳細(xì)分析其讀寫操作過程及時序。將FRAM與其它存儲器進(jìn)行比較，分析在不同場合中各自的優(yōu)缺點。最后以FM1808為例說明并行FPGA與8051系列單片機(jī)的實際接口，著重分析與使用一般SRAM的不同之處。
關(guān)鍵詞：鐵電存儲器 FRAM原理 8051 存儲技術(shù)
1 背景
鐵電存儲技術(shù)最在1921年提出，直到1993年美國Ramtron國際公司成功開發(fā)出第一個4Kb的鐵電存儲器FRAM產(chǎn)品，目前所有的FRAM產(chǎn)品均由Ramtron公司制造或授權(quán)。最近幾年，FRAM又有新的發(fā)展，采用了0.35μm工藝，推出了3V產(chǎn)品，開發(fā)出“單管單容”存儲單元的FRAM，最大密度可在256Kb。
2 FRAM原理
FRAM利用鐵電晶體的鐵電效應(yīng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，鐵電晶體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。鐵電效應(yīng)是指在鐵電晶體上施加一定的電場時，
晶體中心原子在電場的作用下運動，并達(dá)到一種穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)電場從晶體移走后，中心原子會保持在原來的位置。這是由于晶體的中間層是一個高能階，中心原子在沒有獲得外部能量時不能越過高能階到達(dá)另一穩(wěn)定位置，因此FRAM保持?jǐn)?shù)據(jù)不需要電壓，也不需要像DRAM一樣周期性刷新。由于鐵電效應(yīng)是鐵電晶體所固有的一種偏振極化特性，與電磁作用無關(guān)，所以FRAM存儲器的內(nèi)容不會受到外界條件（諸如磁場因素）的影響，能夠同普通ROM存儲器一樣使用，具有非易失性的存儲特性。
FRAM的特點是速度快，能夠像RAM一樣操作，讀寫功耗極低，不存在如E2PROM的最大寫入次數(shù)的問題；但受鐵電晶體特性制約，FRAM仍有最大訪問（讀）次數(shù)的限制。
2．1 FRAM存儲單元結(jié)構(gòu)
FRAM的存儲單元主要由電容和場效應(yīng)管構(gòu)成，但這個電容不是一般的電容，在它的兩個電極板中間沉淀了一層晶態(tài)的鐵電晶體薄膜。前期的FRAM的每個存儲單元使用2個場效應(yīng)管和2個電容，稱為“雙管雙容”（2T
2.2 FRAM的讀/寫操作
FRAM保存數(shù)據(jù)不是通過電容上的電荷，而是由存儲單元電容中鐵電晶體的中心原子位置進(jìn)行記錄。直接對中心原子的位置進(jìn)行檢測是不能實現(xiàn)的。實際的讀操作過程是：在存儲單元電容上施加一已知電場（即對電容充電），如果原來晶體中心原子的位置與所施加的電場方向使中心原子要達(dá)到的位置相同，中心原子不會移動；若相反，則中心原子將越過晶體中間層的高能階到達(dá)另一位置，在充電波形上就會出現(xiàn)一個尖峰，即產(chǎn)生原子移動的比沒有產(chǎn)生移動的多了一個類峰。把這個充電波形同參考位（確定且已知）的充電波形進(jìn)行比較，便可以判斷檢測的存儲單元中的內(nèi)容是“
無論是2T
圖2
寫操作和讀操作十分類似，只要施加所要的方向的電場改變鐵電晶體的狀態(tài)就可以了，而無需進(jìn)行恢復(fù)。但是寫操作仍要保留一個“預(yù)充”時間，所以總的時間與讀操作相同。FRAM的寫操作與其它非易失性存儲器的寫操作相比，速度要快得多，而且功耗小。
2.3 FRAM的讀寫時序
在FRAM讀操作后必須有個“預(yù)充電”過程，來恢復(fù)數(shù)據(jù)位。增加預(yù)充電時間后，FRAM一個完整的讀操作周期為130ns，如圖3（a）所示。這是與SRAM和E2PROM不同的地方。圖3（b）為寫時序。
3 FRAM與其它存儲技術(shù)比較
目前Ramtron公司的FRAM主要包括兩大類：串行FRAM和并行FRAM。其中串行FRAM又分I
FRAM產(chǎn)品具有RAM和ROM優(yōu)點，讀寫速度快并可以像非易失性存儲器一樣使用。因鐵電晶體的固有缺點，訪問次數(shù)是有限的，超出限度，FRAM就不再具有非易失性。Ramtron給出的最大訪問次數(shù)是100億次（10 10），但是并不是說在超過這個次數(shù)之后，FRAM就會報廢，而是它僅僅沒有了非易失性，但它仍可像普通RAM一樣使用。
（1）FRAM與E2PROM
FRAM可以作為E2PROM的第二種選擇。它除了E2PROM的性能外，訪問速度要快得多。但是決定使用FRAM之前，必須確定系統(tǒng)中一旦超出對FRAM的100億次訪問之后絕對不會有危險。
圖3
（2）FRAM與SRAM
從速度、價格及使用方便來看，SRAM優(yōu)于FRAM；但是從整個設(shè)計來看，FRAM還有一定的優(yōu)勢。
假設(shè)設(shè)計中需要大約3KB的SRAM，還要幾百個字節(jié)用來保存啟動代碼的E2PROM配置。
非易失性的FRAM可以保存啟動程序和配置信息。如果應(yīng)用中所有存儲器的最大訪問速度是70ns，那么可以使用1片FRAM完成這個系統(tǒng)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單。
（3）FRAM與DRAM
DRAM適用于那些密度和價格比速度更重要的場合。例如DRAM是圖形顯示存儲器的最佳選擇，有大量的像素需要存儲，而恢復(fù)時間并不是很重要。如果不需要下次開機(jī)時保存上次內(nèi)容，使用易失性的DRAM存儲器就可以。DRAM的作用與成本是FRAM無法比擬的。事實證明，DRAM不是FRAM所能取代的。
（4）FRAM與Flash
現(xiàn)在最常用的程序存儲器是Flash，它使用十分方便而且越來越便宜，程序存儲器必須是非易失性的，并且要相對低廉，還要比較容易改寫。而使用FRAM會受訪問次數(shù)的限制。
4 FRAM與單片機(jī)接口
下面介紹并行FRAM——FM1808與8051/52—的實際應(yīng)用。
4.1 預(yù)充電信號的產(chǎn)生
在大多數(shù)的8051系統(tǒng)中，對存儲器的片選信號CE通常允許在多個讀寫訪問操作時保持為低。但這對FM1808不適用，必須在每次訪問時CE由硬件產(chǎn)生一個正跳變。標(biāo)準(zhǔn)8051核的一個機(jī)器周期包括12個時鐘周期，ALE信號在每個機(jī)器周期中有效兩次，除了對外部數(shù)據(jù)存儲器訪問時僅有效一次。8051對外部存儲器的讀或?qū)懖僮餍枰獌蓚�機(jī)器周期。快速型8051如DS
第一，FRAM的訪問時間必須大于70ns；
第二，ALE的高電平寬度必須大于60ns。
對于標(biāo)準(zhǔn)的8051/52，ALE信號的寬度因不同廠家略有不同。一些快速的8051/52系列，如Dallas的DS
圖4
根據(jù)前面的介紹，要實現(xiàn)對FM1808的正常操作，對于標(biāo)準(zhǔn)8051/52來說，主頻不能高于20MHz；而對于高速型的8051/52，主頻不應(yīng)高于23MHz。
4．2 FM1808與8051的接口電路
FM1808與8051接口電路如圖4所示。這里使用8051的ALE信號和由地址產(chǎn)生CE的片選信號相“或”來產(chǎn)生CE的正跳變。2片32K×8的FRAM存儲器，A15與ALE通過74FC32相“或”作為U2的片選，取反后作為U3的片選。所以，U2的地址為0～7FFFH，U3的地址為8000H～FFFFH。8051的RD信號與PSEN信號相“與”后作為U3的輸出允許，所以U3作為程序或數(shù)據(jù)存儲器使用。當(dāng)J1跳接塊在右邊時，U2與U3用法相同；而J1跳接在左邊時，U2僅作為程序存儲器。要保證代碼不會意外地被改寫，僅需斷開J2即可。
需要注意的是，由于邏輯門電路都有6～8ns的延時時間，在主頻較高時對應(yīng)使用快速型邏輯芯片（F系列）。
結(jié)語
FRAM產(chǎn)品為我們提供了可使用的存儲器的一種新選擇，在原來使用E2PROM的應(yīng)用中表現(xiàn)會更出色，為某些原來認(rèn)為需要使用SRAM的E2PROM的應(yīng)用系統(tǒng)找到一種新的途徑。但是由于最大訪問次數(shù)的限制，要成為理想的通用存儲器，FRAM還有很長的路要走。
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