非易失性鐵電存儲(chǔ)器(FRAM)芯片

1、16Kbit 非易失性鐵電存儲(chǔ)器（FRAM ）芯片F(xiàn)M25C160原理及其應(yīng)用哈爾濱理工大學(xué)測(cè)控技術(shù)與通信工程學(xué)院 周寶國(guó)The Principle of 16-Kbit Nonvolatile FRAM Chip FM25C160 and ItsApplicationZhou Baoguo摘要：FM25C160是美國(guó)Ramtron 公司生產(chǎn)的非易失性鐵電介質(zhì)讀寫存儲(chǔ)器。它具有高速讀寫，超低功耗和無(wú)限次寫入等特性。文中介紹了FM25C160的性能特點(diǎn)管腳定義內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理。給出了AT89C51單片機(jī)與FM25C160的接口電路圖和對(duì)FM25C160的寫操作流程圖。關(guān)鍵詞：鐵電存儲(chǔ)器(FRA

2、M；FM25C160；SPI 總線；寫保護(hù)1 概述傳統(tǒng)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器主要有兩大體系：易失性存儲(chǔ)器（volatile memory）和非易失性存儲(chǔ)器（non-volatile memory）。易失性存儲(chǔ)器主要包括靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SRAM 和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器DRAM 。非易失性存儲(chǔ)器主要包括掩模只讀存儲(chǔ)器OTP RAM 可紫外線擦除可編程只讀存儲(chǔ)器EPROM 可電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器EEPROM 可快速電擦除可現(xiàn)場(chǎng)編程的快閃存儲(chǔ)器Flash Memory和用高能量鋰電池作靜態(tài)讀寫存儲(chǔ)器后備電源的非易失靜態(tài)讀寫存儲(chǔ)器NVSRAM 。SRAM 和DRAM 等易失性存儲(chǔ)器在沒(méi)有電的情況下都不能保存數(shù)據(jù)。EPR

3、OM EEPROM 和Flash 等非易失性存儲(chǔ)器雖然在斷電后仍能保存資料，但由于這類存儲(chǔ)器均源于只讀存儲(chǔ)器（ROM ）技術(shù)，因此都有不易寫入的缺點(diǎn)。FRAM 是由美國(guó)Ramtron 公司生產(chǎn)的非易失性鐵電介質(zhì)讀寫存儲(chǔ)器。其核心技術(shù)是鐵電晶體材料，這一特殊材料使得鐵電存貯產(chǎn)品同時(shí)擁有隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM 和非易失性存儲(chǔ)器的特性。鐵電晶體材料的工作原理是: 當(dāng)我們把電場(chǎng)加載到鐵電晶體材料上，晶陣中的中心原子會(huì)沿著電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。晶陣中的每個(gè)自由浮動(dòng)的中心原子只有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，一個(gè)我們記作邏輯0，另一個(gè)記作邏輯1。中心原子能在常溫沒(méi)有電場(chǎng)的情況下停留在此狀態(tài)達(dá)一百年以上。由于在整個(gè)物理過(guò)

4、程中沒(méi)有任何原子碰撞，鐵電存儲(chǔ)器(FRAM擁有高速讀寫，超低功耗和無(wú)限次寫入等特性。FM25C160是16Kbit 串行FRAM ，它的主要特點(diǎn)如下：采用2048×8位存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)；讀寫次數(shù)高達(dá)1百億次；在溫度為55時(shí)，10年數(shù)據(jù)保存能力；無(wú)延時(shí)寫入數(shù)據(jù)；先進(jìn)的高可靠性鐵電存儲(chǔ)方式；連接方式為高速串行接口（SPI ）總線方式，且具有SPI 方式0和3兩種方式；總線頻率高達(dá)5MHz ；硬件上可直接取代EEPROM ；具有先進(jìn)的寫保護(hù)設(shè)計(jì)，包括硬件保護(hù)和軟件保護(hù)雙重保護(hù)功能；低功耗，待機(jī)電流僅為10A ；采用單電源+5V供電；工業(yè)溫度范圍：-40至+85；采用8腳SOP 或DIP 封裝形式；

5、基于以上特點(diǎn)，F(xiàn)M25C160非常適用于非易失性且需要頻繁快速存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。其應(yīng)用范圍包括對(duì)寫周期時(shí)序有嚴(yán)格要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和使用EEPROM 時(shí)由于其寫周期長(zhǎng)而可能會(huì)引起數(shù)據(jù)丟失的工業(yè)控制等領(lǐng)域。2 FM25C160的引腳定義及功能框圖圖1為FM25C160的引腳排列，圖2為其內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)框圖。表1為FM25C160的引腳定義。 VSS SI 圖1 FM25C160的引腳排列圖2 FM25C160 內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)框圖表1 FM25C160引腳定義引腳號(hào) 引腳名稱 I/O 功能1 /CS I 片選2 SO O 串行數(shù)據(jù)輸出3/WP I 寫保護(hù)輸入 4VSS I 接地端 5SI I 串行數(shù)據(jù)輸

6、入 6SCK I 串行時(shí)鐘輸入 7/HOLD I CPU 暫時(shí)中斷對(duì)FM25C160的操作 8 VCC I +5V電源3 工作原理3.1存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)和串行外圍接口（SPI ）總線FM25C160是串行FRAM 。其內(nèi)部存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)形式為2048×8位，地址范圍為000H 7FFH ，采用16位地址尋址方式。尋址遵循SPI 協(xié)議，包括一個(gè)片選（允許總線上有多個(gè)器件），一個(gè)操作碼和一個(gè)2字節(jié)地址。在實(shí)際的讀寫操作中，有效地址為11位，其中高5位地址為任意值。SPI 接口是一種時(shí)鐘和數(shù)據(jù)同步的串行接口，使用4個(gè)引腳：時(shí)鐘數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸出和片選。SPI 有4種工作方式，分別為方式0方式1方式2和方

7、式3。FM25C160支持SPI 方式0和方式3（而FM25160只支持SPI 方式0）。使用時(shí)，在/CS信號(hào)的下降沿，時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線的狀態(tài)即可確定FM25C160的工作方式。SPI方式0和方式3的時(shí)序圖如圖3所示。 1）SPI 方式0 CPOL=0 CPHA=0 2）SPI 方式3 CPOL=1 CPHA=1圖3 FM25C160的工作方式 3.2操作指令集FM25C160的SPI 協(xié)議有操作指令來(lái)控制。當(dāng)片選信號(hào)有效時(shí)（/CS=0），對(duì)FM25C160操作的第一個(gè)字節(jié)為命令字，緊接其后的是11位有效地址和傳送數(shù)據(jù)。FM25C160操作指令集（如表2所示）共有6條指令，可分為3類：第一類為指

8、令后不接任何操作數(shù)，該類指令用于完成某一特定功能。包括WREN 和WRDI ；第二類為指令之后接一個(gè)字節(jié)，這類指令可用來(lái)完成對(duì)狀態(tài)寄存器的操作。包括RDSR 和WRSR ；第三類是對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫操作的指令，該類指令之后緊接著的是存儲(chǔ)器地址和一個(gè)或多個(gè)地址數(shù)據(jù)。包括READ 和WRITE 。所有的指令，地址與數(shù)據(jù)都是以MSB （最高有效位）在前的方式傳送。 表2 FM25C160操作指令集指令 指令格式 操作WREN 0000 0110B 設(shè)置寫使能鎖存器（允許寫操作）WRDI 0000 0100B 復(fù)位寫使能鎖存器（禁止寫操作）RDSR 0000 0101B 讀狀態(tài)寄存器WRSR 0000

9、0001B 寫狀態(tài)寄存器READ 0000 0011B 從FM25C160讀出數(shù)據(jù)WRITE 0000 0010B 數(shù)據(jù)寫入FM25C1603.3狀態(tài)寄存器和寫保護(hù)FM25C160具有硬件保護(hù)和軟件保護(hù)雙重寫保護(hù)功能。首先，在任何寫操作之前，必須先用WREN 指令對(duì)寫使能鎖存器置位；其次，在寫允許的情況下，應(yīng)使寫入存儲(chǔ)器的操作受控與狀態(tài)寄存器；再次，還要對(duì)狀態(tài)寄存器進(jìn)行操作，這需要WRSR 指令并要求/WP引腳為高電平。其狀態(tài)寄存器的內(nèi)容及格式如表3。表3 狀態(tài)寄存器位 7 6 5 4 3 2 1 0名稱 WPEN 0 0 0 BP1 BP0 WEL 0其中，位0和46恒為“0”，WPEN B

10、P1和BP0是寫保護(hù)控制位，WEL 是寫使能鎖存器狀態(tài)位。BP1和BP0為存儲(chǔ)器存儲(chǔ)區(qū)間（塊）的寫保護(hù)位，其保護(hù)的地址范圍如表4所列。表5為WEL 位WPEN 位和/WP引腳對(duì)寫保護(hù)功能的影響。表4 存儲(chǔ)器塊寫保護(hù)地址范圍BP1 BP0 保護(hù)地址范圍0 0 無(wú)0 1 600H 7FFH （上部1/4）1 0 400H 7FFH （上部1/2）1 1 000H 7FFH （全部） 表5 寫保護(hù)條件WEL WPEN /WP 受保護(hù)區(qū) 未受保護(hù)區(qū) 狀態(tài)寄存器0 × × 保護(hù) 保護(hù) 保護(hù)1 0 × 保護(hù) 未保護(hù) 未保護(hù)1 1 0 保護(hù) 未保護(hù) 保護(hù)1 1 1 保護(hù) 未保護(hù)

11、 未保護(hù)3.4對(duì)FM25C160的讀寫操作在對(duì)FM25C160寫數(shù)據(jù)時(shí)，一般先送WREN 指令，后送WRITE 指令。在WRITE 指令之后接2字節(jié)的地址，這16位地址中的高5位為任意碼，低11位地址為要寫入的首字節(jié)數(shù)據(jù)的有效地址，16位地址后面為所要寫入的數(shù)據(jù)。若輸入的數(shù)據(jù)多于1個(gè)，那么第一個(gè)數(shù)據(jù)之后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址由FM25C160內(nèi)部自動(dòng)按順序增加給出。當(dāng)?shù)刂返竭_(dá)7FFH 時(shí)，地址計(jì)數(shù)器重置為000H 。輸入的數(shù)據(jù)一般最高有效位（MSB ）在前，最低有效位（LSB ）在后。對(duì)FM25C160進(jìn)行讀數(shù)據(jù)的過(guò)程與寫操作相似。不同的是在讀操作之前不必象在寫操作之前那樣先送WREN 指令。4 應(yīng)用

12、舉例FRAM 技術(shù)的多功能性滿足多種不同的應(yīng)用。很明顯，更高的讀寫次數(shù)和更快的讀寫速度使得FRAM 在可多次編程應(yīng)用中比EEPROM 性能更加優(yōu)越。其應(yīng)用主要包括：數(shù)據(jù)采集和記錄，存儲(chǔ)配置參數(shù)(Configuration/Setting Data，非易失性緩沖(buffer記憶和SRAM 的取代和擴(kuò)展等。下面給出AT89C51單片機(jī)與FM25C160的接口電路圖（圖4）及對(duì)FM25C160的寫操作流程圖（圖5）。該應(yīng)用系統(tǒng)可在FM25C160芯片的400H 7FFH 地址范 AT89C51 FM25C160圖5 AT89C51與FM25C160的接口電路圖 寫入狀態(tài)寄存器的數(shù)據(jù) 結(jié)束 圖 6

13、對(duì) FM25C160 的寫操作流程圖 5 結(jié)束語(yǔ) 由于鐵電存儲(chǔ)器(FRAM擁有高速讀寫，超低功耗和無(wú)限次寫入等特性，同 時(shí)擁有隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM 和非易失性存儲(chǔ)器的特性， 它是 EEPROM 的理想替代 品。 Ramtron 公司的 FRAM 有串口系列和并口系列，同時(shí)在引腳和功能上和工業(yè) 標(biāo)準(zhǔn)的普通存儲(chǔ)器兼容，因此具有很好的應(yīng)用前景。 參考文獻(xiàn) 1潘海鴻16Kbit 非易失鐵電 RAM 芯片 FM25C160 及其應(yīng)用國(guó)外電子元器 件，2002（11） ：52-55 2FM25C160 Data SheetRamtron International Corporation2001 3FRAM鐵