可穿戴电子应用的FRAM

关键词： FRAM , 存储器

　　引言：
　　FRAM存储器可为可穿戴电子产品带来低功耗、小尺寸、高耐用性与低成本。
　　正文：
　　铁电RAM(FRAM)存储器广泛应用于工业控制系统、工业自动化、关键任务空间应用、高可靠军事以及各种汽车应用。使FRAM适用于这些应用的特征也使之成了可穿戴应用的可行技术，因为FRAM技术与生俱来的附加属性包括低功耗与高耐用性。
　　电子可穿戴设计的一个主要注意事项是在提升可靠性的同时降低总体功耗。设计人员必须在增加功能的同时降低系统功耗，以便延长电池使用寿命。与此同时，嵌入式软件的大小和复杂性也在不断提升，不仅需要更大的存储器，而且还必须进一步增大功耗预算。
　　当前MCU大多数配备两种普通存储器：闪存和SRAM。闪存速度相对较慢，而且支持有限数量的写入周期。但它是非易失性的，因此可用于保存应用代码等变化缓慢的数据。相比之下，SRAM速度快，而且具有无限的写入周期耐用性。但它是易失性的，只能保存临时数据。
　　设计人员选择MCU所面临的复杂性包括准确判断应用所需的闪存和SRAM大小。随着系统复杂程度的提高，设计人员需要采用外部存储器，往往首先想到的选项是添加更多闪存或一个EEPROM，一般很难想到添加外部SRAM。

　　能耗、尺寸、高耐用性和成本都是重要的设计参数：
　　对数据同化的高要求正在推动对存储器要求的提高
　　存储器正日渐成为组件选择和物料清单(BOM)的重要组成部分
　　延长电池使用寿命和缩短充电时间现已成为市场重要的差异化参量。
　　一般在代码高度复杂、需要执行多重数学函数的情况下，设计会变得更加复杂，这时设计人员会考虑增加片上资源，使用外部存储器。低功耗外部并行接口存储器可能会是符合逻辑的首选项，一般是支持极低工作电流并在理想情况下支持零待机电流的SRAM类存储器。
　　此外，并行接口FRAM也可用于此类应用。FRAM不仅具有高达4Mb的密度，而且还可在极低读写工作电流下提供高速性能(90nS访问时间)。FRAM天生是非易失性的，因此它们可在未使用时或是MCU进入睡眠模式时执行电源门控(关闭)。
　　并行易失性/非易失性存储器技术比较：

　　一般使用串行闪存实施的数据存储也会出现相似的问题。闪存单位Mbit成本低，提供较大的存储密度，因此是广泛使用的存储器。但闪存的缺点是写入时能耗较大，耗尽电池的速度较快。许多开发人员试图分区闪存并使用能耗较低的EEPROM(即很少写入闪存，将EERPOM作为前端用于大量写入)。EERPOM的待机模式和工作模式所消耗的电流都低于闪存。
　　这种情况的另一种方法是使用支持寻址功能、高速(40MHz SPI)、低工作功耗(一般低于 100uA/MHz)以及4Mb存储密度的外部串行接口FRAM。
　　串行非易失性存储器技术比较：

　　串行FRAM与MRAM、EEPROM及基于闪存的存储器相比，具有两大优势。首先写入FRAM的能耗与其它非易失性存储器相比要低几个数量级。其次是其写入耐用性近似于无限。更便于做决定的是FRAM的封装一般与EEPROM及闪存相似。

　　不同技术间的写入耐用性比较
　　可穿戴电子设备试图通过节能来最大限度地延长电池使用寿命。此类应用依靠微弱突发能量在短时段内提供电源。因此在断电之前MCU能够执行的代码行数量极为有限。基于闪存的应用具有极高的电源代价，不仅是因为访问闪存时平均功耗较高，而且还因为在闪存写入事件中峰值功耗较高。这种峰值功耗主要是因为使用充电泵，电流值可达7mA，这使得可穿戴电子产品无法进行非易失性写入。有了FRAM，就没有了充电泵，因此就不存在大电流写入。写入FRAM和从FRAM读取(或者执行FRAM)的平均功耗相同。这排除了非易失性写入的功耗障碍，因此FRAM是节电应用的真正高灵活选项。

　　在单个一体化存储器中完美整合RAM与ROM功能：
　　从事嵌入式系统开发的设计人员一般根据需要存储的内容选择存储器。可执行代码通常存储在非易失性存储器中，而数据则存储在易失性存储器中(除存档目的外)。但对大多数嵌入式系统而言，存储器技术与应用混合的传统做法仍然有效。
　　存储器技术应用一般分为可执行代码任务与数据任务。掩膜ROM、OTP-EPROM和NOR闪存等基于ROM的技术属于非易失性，因此适合代码存储应用。
　　包括NAND闪存和EEPROM在内的其它ROM派生技术可用作非易失性数据存储器。这些必须进行利弊权衡，因为同时进行代码及数据存储时，与其它技术相比性能不佳。闪存用于数据存储的最大优势是低成本，而不是易用性或高性能。
　　SRAM等基于RAM的技术既可用于数据存储，也可在闪存缓慢时用作代码执行工作空间。RAM可实现代码及数据功能性的完美结合，但普通RAM只能提供临时存储。
　　空间有限的应用要求以少量器件实现最大功能性。即便在具有足够电路板空间的应用中，设计人员也未必愿意在系统中使用三种不同类型的存储器。在理想情况下，单项存储器技术就可同时满足代码与数据存储需求。它必须是非易失性的，因此普通RAM不在考虑之列。这就只剩下数据存储介质性能欠佳的ROM系列技术、不可取的电池供电SRAM和铁电RAM(FRAM)了。
　　FRAM可降低系统成本，提高系统效率，降低复杂性，而功耗则明显低于闪存、EEPROM、SRAM以及其它可比技术。如果基于闪存/EEPROM的现有应用具有能源、写入速度、耐用性或掉电备份限制，就可转而使用FRAM。
　　参考资料：
　　2Mb FRAM产品说明书：?rID=73536
　　FRAM SPI应用指南：?rID=82691
　　FRAM SPI读写，重启过程中的数据保护：?rID=81967
　　FRAM技术简介：?rID=83088
　　FRAM耐用性：?rID=83086