16Kbit非易失性铁电存储器（FRAM）芯片FM25C160原
理及其应用
哈尔滨理工大学测控技术与通信工程学院周宝国The Principle of 16-Kbit Nonvolatile FRAM Chip FM25C160 and Its
Application
Zhou Baoguo
摘要：FM25C160是美国Ramtron公司生产的非易失性铁电介质读写存储器。它具有高速读写，超低功耗和无限次写入等特性。文中介绍了FM25C160的性能特点﹑管脚定义﹑内部结构和工作原理。给出了AT89C51单片机与FM25C160的接口电路图和对FM25C160的写操作流程图。
关键词：铁电存储器(FRAM)；FM25C160；SPI总线；写保护
1．概述
传统半导体存储器主要有两大体系：易失性存储器（volatile memory）和非易失性存储器（non-volatile memory）。易失性存储器主要包括静态随机存储器SRAM和动态随机存储器DRAM。非易失性存储器主要包括掩模只读存储器OTP RAM﹑可紫外线擦除可编程只读存储器EPROM﹑可电擦除可编程只读存储器EEPROM﹑可快速电擦除可现场编程的快闪存储器Flash Memory和用高能量锂电池作静态读写存储器后备电源的非易失静态读写存储器NVSRAM。
SRAM和DRAM等易失性存储器在没有电的情况下都不能保存数据。EPROM﹑EEPROM和Flash等非易失性存储器虽然在断电后仍能保存资料，但由于这类存储器均源于只读存储器（ROM）技术，因此都有不易写入的缺点。
FRAM是由美国Ramtron公司生产的非易失性铁电介质读写存储器。其核心技术是铁电晶体材料，这一特殊材料使得铁电存贮产品同时拥有随机存储器(RAM) 和非易失性存储器的特性。
铁电晶体材料的工作原理是: 当我们把电场加载到铁电晶体材料上，晶阵中的中心原子会沿着电场方向运动，到达稳定状态。晶阵中的每个自由浮动的中心原子只有两个稳定状态，一个我们记作逻辑0，另一个记作逻辑1。中心原子能在常温﹑没有电场的情况下停留在此状态达一百年以上。由于在整个物理过程中没有任何原子碰撞，铁电存储器(FRAM)拥有高速读写，超低功耗和无限次写入等特性。
FM25C160是16Kbit串行FRAM，它的主要特点如下：
● 采用2048×8位存储结构；
● 读写次数高达1百亿次；
● 在温度为55℃时，10年数据保存能力；
● 无延时写入数据；
● 先进的高可靠性铁电存储方式；
● 连接方式为高速串行接口（SPI）总线方式，且具有SPI方式0和3两种
方式；
● 总线频率高达5MHz；
● 硬件上可直接取代EEPROM；
● 具有先进的写保护设计，包括硬件保护和软件保护双重保护功能； ● 低功耗，待机电流仅为10μA ； ● 采用单电源+5V 供电；
● 工业温度范围：-40℃至+85℃； ● 采用8脚SOP 或DIP 封装形式； 基于以上特点，FM25C160非常适用于非易失性且需要频繁快速存储数据的场合。其应用范围包括对写周期时序有严格要求的数据采集系统和使用EEPROM 时由于其写周期长而可能会引起数据丢失的工业控制等领域。
2． FM25C160的引脚定义及功能框图
图1为FM25C160的引脚排列，图2为其内部功能结构框图。表1为FM25C160的引脚定义。
VSS SI
图1 FM25C160的引脚排列
图2 FM25C160 内部功能结构框图
表1 FM25C160引脚定义
引脚号
引脚名称 I/O 功能 1 /CS I 片选 2
SO O 串行数据输出
3 /WP I 写保护输入
4 VSS I 接地端
5 SI I 串行数据输入
6 SCK I 串行时钟输入
7 /HOLD I CPU 暂时中断对FM25C160的
操作 8
VCC
I +5V 电源
3． 工作原理
3.1存储器结构和串行外围接口（SPI ）总线
FM25C160是串行FRAM 。其内部存储结构形式为2048×8位，地址范围为000H ～7FFH ，采用16位地址寻址方式。寻址遵循SPI 协议，包括一个片选（允许总线上有多个器件），一个操作码和一个2字节地址。在实际的读写操作中，有效地址为11位，其中高5位地址为任意值。SPI 接口是一种时钟和数据同步的串行接口，使用4个引脚：时钟﹑数据输入﹑数据输出和片选。SPI 有4种工作方式，分别为方式0﹑方式1﹑方式2和方式3。FM25C160支持SPI 方式0和方式3（而FM25160只支持SPI 方式
0）
。使用时，在/CS 信号的下降沿，时钟线和数据线的状态即可确定FM25C160的工作方式。SPI
方式0
和方式3的时
序图如图3所示。
1）SPI 方式0 CPOL=0 CPHA=0
2）SPI 方式3 CPOL=1 CPHA=1 图3 FM25C160的工作方式
3.2操作指令集
FM25C160
的SPI 协议有操作指令来控制。当片选信号有效时（/CS=0）
，对FM25C160操作的第一个字节为命令字，紧接其后的是11
位有效地址和传送数
据。FM25C160操作指令集（如表2所示）共有6条指令，可分为3类：第一类为指令后不接任何操作数，该类指令用于完成某一特定功能。包括WREN和WRDI；
第二类为指令之后接一个字节，这类指令可用来完成对状态寄存器的操作。包括RDSR和WRSR；
第三类是对存储器进行读写操作的指令，该类指令之后紧接着的是存储器地址和一个或多个地址数据。包括READ和WRITE。
所有的指令，地址与数据都是以MSB（最高有效位）在前的方式传送。
表2 FM25C160操作指令集
指令指令格式操作
WREN 0000 0110B 设置写使能锁存器（允许写操作）
WRDI 0000 0100B 复位写使能锁存器（禁止写操作）
RDSR 0000 0101B 读状态寄存器
WRSR 0000 0001B 写状态寄存器
READ 0000 0011B 从FM25C160读出数据
WRITE 0000 0010B 数据写入FM25C160
3.3状态寄存器和写保护
FM25C160具有硬件保护和软件保护双重写保护功能。首先，在任何写操作之前，必须先用WREN指令对写使能锁存器置位；其次，在写允许的情况下，应使写入存储器的操作受控与状态寄存器；再次，还要对状态寄存器进行操作，这需要WRSR指令并要求/WP引脚为高电平。其状态寄存器的内容及格式如表3。
表3 状态寄存器
位7 6 5 4 3 2 1 0
名称WPEN 0 0 0 BP1 BP0 WEL 0 其中，位0和4～6恒为“0”，WPEN﹑BP1和BP0是写保护控制位，WEL 是写使能锁存器状态位。BP1和BP0为存储器存储区间（块）的写保护位，其保护的地址范围如表4所列。表5为WEL位﹑WPEN位和/WP引脚对写保护功能的影响。
表4 存储器块写保护地址范围
BP1 BP0 保护地址范围
0 0 无
0 1 600H～7FFH（上部1/4）
1 0 400H～7FFH（上部1/2）
1 1 000H～7FFH（全部）
表5 写保护条件
WEL WPEN /WP 受保护区未受保护区状态寄存器
0 ××保护保护保护
1 0 ×保护未保护未保护
1 1 0 保护未保护保护
1 1 1 保护未保护未保护
3.4对FM25C160的读写操作
在对FM25C160写数据时，一般先送WREN指令，后送WRITE指令。在
WRITE指令之后接2字节的地址，这16位地址中的高5位为任意码，低11位地址为要写入的首字节数据的有效地址，16位地址后面为所要写入的数据。若输入的数据多于1个，那么第一个数据之后的数据存储地址由FM25C160内部自动按顺序增加给出。当地址到达7FFH时，地址计数器重置为000H。输入的数据一般最高有效位（MSB）在前，最低有效位（LSB）在后。
对FM25C160进行读数据的过程与写操作相似。不同的是在读操作之前不必象在写操作之前那样先送WREN指令。
4．应用举例
FRAM技术的多功能性满足多种不同的应用。很明显，更高的读写次数和更快的读写速度使得FRAM在可多次编程应用中比EEPROM性能更加优越。其应用主要包括：数据采集和记录，存储配置参数(Configuration/Setting Data)，非易失性缓冲(buffer)记忆和SRAM的取代和扩展等。
下面给出AT89C51单片机与FM25C160的接口电路图（图4）及对FM25C160的写操作流程图（图5）。该应用系统可在FM25C160芯片的400H～7FFH地址范
AT89C51 FM25C160
图5 AT89C51与FM25C160的接口电路图
图6 对FM25C160的写操作流程图
5．结束语
由于铁电存储器(FRAM)拥有高速读写，超低功耗和无限次写入等特性，同时拥有随机存储器(RAM) 和非易失性存储器的特性，它是EEPROM的理想替代品。Ramtron公司的FRAM有串口系列和并口系列，同时在引脚和功能上和工业标准的普通存储器兼容，因此具有很好的应用前景。
参考文献
1．潘海鸿．16Kbit非易失铁电RAM芯片FM25C160及其应用．国外电子元器件，2002（11）：52-55
2．FM25C160 Data Sheet．Ramtron International Corporation．2001
3．FRAM铁电存储器技术原理．深圳市华胄科技有限公司
一个完美的电表数据存储系统 华胄科技陈其龙电表作为一个计量用电量的仪器电表的精度不但与检测芯片的精度有关更重要与其存储方式有很大的关系如果检测到的电量数据不能写入存储器或者写入存储器过程出错电表的精度就大大降低 以前电表数据的存储方式有2种选择1用存储EEPROM数据2用NVRAM存储数据现在有了第三种选择用铁电存储器FRAM存储数据 在以前在设计电表电量的存储方案过程中工程师在怎样把数据准确无误的写入存储绞尽脑汁主要的原因是以前的EEPROM速度慢,有10MS写的周期擦写次数少为了解决存储器的问题工程师必须在控制电路增加很多电路见图一 由于EEPROM的擦写次数为10万次所以不能来一个脉冲就写入EEPROM只能将脉冲暂存MCU的SRAM内等脉冲计录到一定的值1度电或到了一定的时间1小时再把数据写入EEPROM正是由于电数据不能实时写入EEPROM引起一个问题如果停电怎么办在停电时MCU内存储的平均电量为0.5度,如果系统不管掉电情况,那么电表的精度很低(以10万家用户计算,每停一次电,供电局将有5万度电因存储器的原因而丢掉),这供电局当然不能接受为了解决这问题在电路上必需增加掉电检测电路在检测到掉电后把MCU中存储不到1度电的数据写入EEPROM 由于EEPROM写入数据时有10MS写的周期这也引起了一个问题在停电后必需有足够长的电压维持EEPROM写的时间设计者的一般思路是利用滤波电路的大电容由于电容内部是电解液随着时间的推移电容的容量将变小因此为了使电表能使用10年必须把增大滤波的电容的容量和提前检测到掉电 EEPROM写入数据时数据先是写入EEPROM的缓冲区当数据写入缓冲区后EEPROM 自动把数据写入EEPROM的具体地址其过程需要10MS由于EEPROM内部写入时间长所以容易受到干扰EEPROM一旦受到干扰写入的数据容易出错此时出错MCU 没有办法知道为了解决这一问题设计者必须把同一个数据写入三个不同的地址然后再把数据读出来校正图5
淮海工学院计算机科学系实验报告书 课程名：《操作系统》 题目：虚拟存储器管理 页面置换算法模拟实验 班级： 学号： 姓名：
一、实验目的与要求 1.目的： 请求页式虚存管理是常用的虚拟存储管理方案之一。通过请求页式虚存管理中对页面置换算法的模拟，有助于理解虚拟存储技术的特点，并加深对请求页式虚存管理的页面调度算法的理解。 2.要求： 本实验要求使用C语言编程模拟一个拥有若干个虚页的进程在给定的若干个实页中运行、并在缺页中断发生时分别使用FIFO和LRU算法进行页面置换的情形。其中虚页的个数可以事先给定（例如10个），对这些虚页访问的页地址流（其长度可以事先给定，例如20次虚页访问）可以由程序随机产生，也可以事先保存在文件中。要求程序运行时屏幕能显示出置换过程中的状态信息并输出访问结束时的页面命中率。程序应允许通过为该进程分配不同的实页数，来比较两种置换算法的稳定性。 二、实验说明 1．设计中虚页和实页的表示 本设计利用C语言的结构体来描述虚页和实页的结构。 在虚页结构中，pn代表虚页号，因为共10个虚页，所以pn的取值范围是0—9。pfn代表实页号，当一虚页未装入实页时，此项值为-1；当该虚页已装入某一实页时，此项值为所装入的实页的实页号pfn。time项在FIFO算法中不使用，在LRU中用来存放对该虚页的最近访问时间。 在实页结构中中，pn代表虚页号，表示pn所代表的虚页目前正放在此实页中。pfn代表实页号，取值范围（0—n-1）由动态指派的实页数n所决定。next是一个指向实页结构体的指针，用于多个实页以链表形式组织起来，关于实页链表的组织详见下面第4点。 2．关于缺页次数的统计 为计算命中率，需要统计在20次的虚页访问中命中的次数。为此，程序应设置一个计数器count，来统计虚页命中发生的次数。每当所访问的虚页的pfn项值不为-1，表示此虚页已被装入某实页内， 此虚页被命中，count加1。最终命中率=count/20*100%。 3．LRU算法中“最近最久未用”页面的确定 为了能找到“最近最久未用”的虚页面，程序中可引入一个时间计数器countime，每当要访问 一个虚页面时，countime的值加1，然后将所要访问的虚页的time项值设置为增值后的当前
铁电存储器原理及应用比较摘要：介绍铁电存储器（FRAM）的一般要领和基本原理，详细分析其读写操作过程及时序。将FRAM与其它存储器进行比较，分析在不同场合中各自的优缺点。最后以FM1808为例说明并行FPGA与8051系列单片机的实际接口，着重分析与使用一般SRAM的不同之处。关键词：铁电存储器 FRAM原理 8051 存储技术1 背景铁电存储技术最在1921年提出，直到1993年美国Ramtron国际公司成功开发出第一个4Kb的铁电存储器FRAM产品，目前所有的FRAM产品均由Ramtron公司制造或授权。最近几年，FRAM又有新的发展，采用了0.35μm工艺，推出了3V产品，开发出“单管单容”存储单元的FRAM，最大密度可在256Kb。2 FRAM原理FRAM利用铁电晶体的铁电效应实现数据存储，铁电晶体的结构如图1所示。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；当电场从晶体移走后，中心原子会保持在原来的位置。这是由于晶体的中间层是一个高能阶，中心原子在没有获得外部能量时不能越过高能阶到达另一稳定位置，因此FRAM保持数据不需要电压，也不需要像DRAM一样周期性刷新。由于铁电效应是铁电晶体所固有的一种偏振极化特性，与电磁作用无关，所以FRAM存储器的内容不会受到外界条件（诸如磁场因素）的影响，能够同普通ROM存储器一样使用，具有非易失性的存储特性。FRAM的特点是速度快，能够像RAM一样操作，读写功耗极低，不存在如E2PROM的最大写入次数的问题；但受铁电晶体特性制约，FRAM仍有最大访问（读）次数的限制。2．1 FRAM 存储单元结构FRAM的存储单元主要由电容和场效应管构成，但这个电容不是一般的电容，在它的两个电极板中间沉淀了一层晶态的铁电晶体薄膜。前期的FRAM的每个存储单元使用2个场效应管和2个电容，称为“双管双容”（2T2C），每个存储单元包括数据位和各自的参考位，简化的2T2C存储单元结构如图2（a）所示。2001年Ramtron设计开发了更先进的“单管单容”（1T1C）存储单元。1T1C的FRAM所有数据位使用同一个参考位，而不是对于每一数据位使用各自独立的参考位。1T1C的FRAM产品成本更低，而且容量更大。简化的1T1C存储单元结构（未画出公共参考位）如图2（b）所示。2.2 FRAM的读/写操作FRAM保存数据不是通过电容上的电荷，而是由存储单元电容中铁电晶体的中心原子位置进行记录。直接对中心原子的位置进行检测是不能实现的。实际的读操作过程是：在存储单元电容上施加一已知电场（即对电容充电），如果原来晶体中心原子的位置与所施加的电场方向使中心原子要达到的位置相同，中心原子不会移动；若相反，则中心原子将越过晶体中间层的高能阶到达另一位置，在充电波形上就会出现一个尖峰，即产生原子移动的比没有产生移动的多了一个类峰。把这个充电波形同参考位（确定且已知）的充电波形进行比较，便可以判断检测的存储单元中的内容是“1”或“0”。[!--empirenews.page--]无论是2T2C还是1T1C的FRAM，对存储单元进行读操作时，数据位状态可能改变而参考位则不会改变（这是因为读操作施加的电场方向与原参考位中原子的位置相同）。由于读操作可能导致存储单元状态的改变，需要电路自动恢复其内容，所以每个读操作后面还伴随一个“预充”（precharge）过程来对数据位恢复，而参考位则不用恢复。晶体原子状态的切换时间小于1ns，读操作的时间小于70ns，加上“预充”时间60ns，一个完整的读操作时间约为130ns。图2 写操作和读操作十分类似，只要施加所要的方向的电场改变铁电晶体的状态就可以了，而无需进行恢复。但是写操作仍要保留一个“预充”时间，所以总的时间与读操作相同。FRAM的写操作与其它非易失性存储器的写操作相比，速度要快得多，而且功耗小。2.3 FRAM的读写时序在FRAM读操作后必须有个“预充电”过程，来恢复数据位。增加预充电时间后，FRAM一个完整的读操作周期为130ns，如图3（a）所示。这是与SRAM和E2PROM不同的地方。图3（b）为写时序。3 FRAM与其它存储技术比较目前Ramtron公司的FRAM主要包括两大类：串行FRAM和并行FRAM。其中串行FRAM 又分I2C两线方式的FM24××系列和SPI三线方式的FM25xx系列。串行FRAM与传统的24xx、25xx型的E2PROM引脚及时序兼容，可以直接替换，如Microchip、Xicor公司的同型号产品；并行FRAM价格较高但速度快，由于存在“预充”问题，在时序上有所不同，不能和传统的
说起存储器IC的分类，大家马上想起可以分为RAM和ROM两大类。 RAM是Random Access Memory的缩写，翻译过来就是随机存取存储器，随机存取可以理解为能够高速读写。常见的RAM又可以分成SRAM(Static RAM：静态RAM)和DRAM(dynamic RAM：动态RAM)。 ROM是Read Only Memory的缩写，翻译过来就是只读存储器。常见的ROM又可分为掩膜ROM(有时直接称为ROM)、PROM(Programmable ROM：可编程ROM，特指一次编程的ROM)、EPROM(Erasable Programmable ROM：可擦除可编程的ROM，擦除时用紫外线)、EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM：电可擦除可编程ROM)。 以上是大家在各种教材上看到的存储器的分类。 问题是，ROM明明叫只读存储器，也就是不可写的存储器，现实是除了掩膜ROM是不可写的外，PROM、EPROM、EEPROM事实上都是可写的。它们的名称中还带有“ROM”是名不副实的叫法。掩膜ROM、PROM、EPROM、EEPROM这几种存储器的共同特点其实是掉电后，所存储的数据不会消失，所以可以归类为非易失性存储器(即Non-Volatile Memory)。 SRAM、DRAM的共同特点是掉电后数据会丢失，所以也可称为易失性存储器(V olatile memory)。 于是，存储器从大类来分，可以分为易失性存储器和非易失性存储器。 后来出现的Flash Memory(快闪存储，简称闪存)，掉电后数据也不容易丢失，所以也属于非易失性存储器。Flash Memory的名称中已经不带ROM字样了，但是传统的分类方法中，还是把Flash Memory归类为ROM类，事实上此时是因为这些存储器都是非易失的。 把存储器分为易失性存储器和非易失性存储器就万事大吉了么？ 令人纠结的是，有一种新的存储器，它既是非易失的，同时又是能够高速随时读写数据的，也就是说能够随机存取的。这种存储器就是FRAM(Ferroelectric Random Access Memory：铁电随机存取存储器，简称铁电存储器)。把FRAM归类为非易失性存储器是可以，但是FRAM的高速读写性质又与SRAM、DRAM更为接近，它也是一种RAM。 于是，存储器的分类令人纠结。传统的分为RAM与ROM的方式本来就不科学。如果分成RAM与非易失性存储器这两大类，也不科学，因为这个分类本身就不是按同一个标准分的，导致FRAM即属于RAM，又属于非易失性存储器。如果只分成易失性存储器和非易失性存储器，又导致FRAM与SRAM、DRAM分家，大家都有RAM嘛，凭什么分开是吧。 我的建议是，存储器分成随机存取存储器和非随机存取存储器两大类比较合适。 于是，存储器的分类如下(按存取速度分类)： 1、随机存取存储器：SRAM、DRAM、FRAM； 2、非随机存取存储器：掩膜ROM、PROM、EPROM、EEPROM、Flash Memory。 差强人意的分类为(按易失性分类)： 1、易失性存储器：SRAM、DRAM； 2、非易失性存储器：掩膜ROM、PROM、EPROM、EEPROM、Flash Memory、FRAM。
半导体存储器及发展趋势 □于纪波 (山西经济管理干部学院,山西太原030024) 【摘 要】半导体存储器的容量和速度决定着计算机系统运行速度。目前CPU 芯片18个月一更新,为 了赶上这个速度,半导体存储器的发展也日新月异。 【关键词】半导体存储器;大容量;高速;低功耗 【中图分类号】TH866.5 【文献标识码】A 【文章编号】1008-9101(2002)02-0048-02 目前半导体存储器性能的发展还远远落后于CPU 性能的发展速度,今后存储器技术和市场仍将继续发展和繁荣,特别是在市场需求的驱动下,为了满足各种系统所提出的不同要求,科学家还在寻找和开发新的存储原理,发展新型的存储器。另一方面半导体存储器在大容量、高速度、低功耗和方便使用等方面有了突飞猛进的发展。 一、技术现状 半导体存储器是计算机中最重要的部件之一,冯.诺依曼计算机程序存储原理就是利用存储器的记忆功能把程序存放起来,使计算机可以脱离人的干预自动地工作。它的存取时间和存取容量直接影响着计算机的性能。随着大规模集成电路和存储技术的长足发展,半导体存储器的集成度以每三年翻两番的速度在提高,相同容量的存储器在计算机中的体积和成本所占用的比例已越来越小。 从使用功能角度看,半导体存储器可以分为两大类:随机存储器RAM (Random Access Memory )只读存储器ROM (Read only Memory )。根据工作原理和条件不同,RAM 又分别称为静态读写存储器SRAM (Static RAM )和动态读写存储器DRAM (Dynamic RAM )。 目前市场上SRAM 主要用于高速缓存Cache ,这种存储器位于CPU 和DRAM 主存储器之间,规模较小,但速度很快。SDRAM 正在淡出历史舞台,DDR (Double Date Rage RAM )在P4已经开始全面采用。DDR 称为双数据率SDRAM ,其特点也是在单个时钟周期的上升沿和下降沿内都传送数据,所以,具有比普通单数据率SDRAM 多1倍的传输速度和内存带宽。对于大型应用程序和复杂的3D 应用很合适。ROM 主要有可电擦除可编程的EEPROM ,在E 2PROM 和EEPROM 芯片技术基础上发展起来的快擦写存储器Flash Memory 、利用铁电材料的极化方向来存储数据的铁电读写存储器FRAM 。 二、存储器发展趋势 微处理器的高速发展使存储器发展的速度远不能满足CPU 的发展要求,而且这种差距还在拉大。目前世界各大半导体厂商,一方面在致力于成熟存储器的大容量化、高速化、 低电压低功耗化,另一方面根据需要在原来成熟存储器的基 础上开发各种特殊存储器。 1、存储器集成度不断提高 由于受到PC 机和办公自动化设备普及要求的刺激,对DRAM 需求量日益激增,再加上系统软件和应用软件对内存有越来越大要求的趋势,特别是新一代操作系统以及很多与图形图象有关的软件包都对内存容量提出了更大的要求,促使各大半导体厂商不断投入数以亿计的巨资发展亚微米集成电路技术,提高存储器的集成度,不断推出大容量化存储器芯片。在半导体领域一直遵循有名的“摩尔(Moore )定律”———集成度以每18月提高一倍的速度在发展。集成电路集成度越高,所需要采用的工艺线宽就越小,当达到半导体线度尺寸小于电子波长时,就会产生量子效应。为此正在发展一种称为硅量子细线技术和硅量子点技术的新工艺技术,可望把半导体细线做到10nm ,这样就可以进一步提高半导体的集成度,做出更大容量的存储器芯片。 2、高速存储器的发展 随着微处理器速度的飞速发展,存储器的发展远不能跟上微处理器速度的提高,而且两者的差距愈来愈大,这已经制约了计算机性能的进一步提高。目前一般把访问时间小于35ns 的存储器称为高速存储器。随着时间的推移,高速存储器访问的时间将越来越小。至今SRAM 与DRAM 比较,速度仍然快不少。80年代末起,随着G aAs 和BICMOS 工艺技术的长足发展,世界各大半导体公司都在开发利用G aAs 和BICMOS 工艺技术来提高SRAM 的速度。 为了适应高速CPU 构成高性能系统的需要,高速DRAM 技术在不断发展。发展高速DRAM 的途径目前一般是把注意力集中在存储器芯片的片外附加逻辑电路上,试图在片外组织连续数据流来提高单位时间内数据流量即增加存储器的带宽。 3、存储器的低工作电压低功耗化 随着用电池供电的笔记本式计算机和各种便携式带微处理器的电子产品的问世,要求尽量减少产品的体积、重量和功耗,还要求产品耐用。减小系统体积和重量很重要的方 收稿日期:2002.4.3 作者简介:于纪波(1959-),男,山东牟平人,1982年毕业于东北大学,学士,现工作于山西经济管理干部学院,高级工程师。 8 4June ,2002Vol.10 No.2 山西经济管理干部学院学报JOURNAL OF SHANXI INSTITU TE OF ECONOMIC MANAGEMENT 2002年6月 第10卷第2期
Technology Note Sept. 2007 Ramtron International Corporation 1850 Ramtron Drive, Colorado Springs, CO 80921 (800) 545-FRAM, (719) 481-7000, Fax (719) 481-7058 F-RAM Technology Brief Overview Established semiconductor memory technologies are divided into two categories: 1. RAMs are Random Access Memories, which simply means that the access time for reads and writes are symmetric. 2. Nonvolatile memories have traditionally been ROM (Read Only Memory) until the advent of floating gate technology, which produced electrically erasable memories such as Flash and EEPROM. These products allow for in-system programming but read and write access times are dissimilar. In fact, the write access times can be several orders of magnitude greater than the read access times. Ferroelectric Random Access Memory or F-RAM has attributes that make it the ideal nonvolatile memory. It is a true nonvolatile RAM. The write advantages and non-volatility make it quite suitable for storing data in the absence of power. Ferroelectric Property The ferroelectric property is a phenomena observed in a class of materials known as Perovskites. Figure 1 shows a Perovskite crystal. The atom in the center has two equal and stable low energy states. These states determine the position of the atom. If a field is applied in the proper plane, the atom will move in the direction of the field. Applying an electric field across the crystal causes the low energy state or position to be in the direction of the field and, conversely, the high energy state in the opposite position. The applied field will, therefore, cause the atom to move from the high energy state to the low energy state. This transition produces energy in the form of charge generally referred to as switch charge (Qs). Therefore, applying an alternating electric field across the crystal will cause the atom to move from the top of the crystal to the bottom and back again. Each transition will produce charge, Qs. Figure 1. Ferroelectric (Perovskite) Crystal A common misconception is that ferroelectric crystals are ferromagnetic or have similar properties. The term “ferroelectric” refers to similarity of the graph of charge plotted as a function of voltage (Figure 2) to the hysteresis loop (BH curve) of ferromagnetic materials. Ferroelectric materials switch in an electric field and are not affected by The ferroelectric material has two states, the atom at the top, which is referred to as up polarization, and the atom at the bottom, which is referred to as down polarization (Figure 3). Therefore, with a viable sensing scheme a binary memory can be produced. Figure 3. Crystal Polarization
第5章虚拟存储器－选择题参考答案 一、单项选择题 1.【2012统考真题】下列关于虚拟存储器的叙述中,正确的是() A.虚拟存储只能基于连续分配技术 B.虚拟存储只能基于非连续分配技术 C.虚拟存储容量只受外存容量的限制 D.虚拟存储容量只受内存容量的眼制 2.请求分页存储管理中,若把页面尺寸增大一倍而且可客纳的最大页数不变则在程序顺序执行时缺页中断次数 会() A.增加 B.减少 C.不变 D.可能增加也可能减少 3.进程在执行中发生了缺页中断,经操作系统处理后,应让其执行()指令 A.被中断的前一条 B.被中断的那一条 C.被中断的后一条 D.启动时的第一条 4.【2011统考真题】在缺页处理过程中,操作系统执行的操作可能是() Ⅰ.修改页表Ⅱ.磁盘1O Ⅲ.分配页框 A.仅Ⅰ、Ⅱ B.仅Ⅱ C.仅Ⅲ D.Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ 5.【2013统考真题】若用户进程访问内存时产生缺页,则下列选项中,操作系回 统可能执行的操作是() Ⅰ.处理越界错Ⅱ.置换页Ⅲ.分配内存 A.仅Ⅰ、Ⅱ B.仅Ⅱ、Ⅲ C.仅Ⅰ、Ⅲ D.Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ 6.虚拟存储技术是() A.补充内存物理空间的技术 B.补充内存逻辑空间的技术 C.补充外存空间的技术 D.扩充输入/输出缓冲区的技术 7.以下不属于虚拟内存特征的是() A.一次性 B.多次性 C.对换性 D.离散性 8.为使虚存系统有效地发挥其预期的作用,所运行的程序应具有的特性是() A.该程序不应含有过多的O操作 B.该程序的大小不应超过实际的内存容量 C.该程序应具有较好的局部性 D.该程序的指令相关性不应过多 9.()是请求分页存储管理方式和基本分页存储管理方式的区别 A.地址重定向 B.不必将作业全部装入内存 C.采用快表技术 D.不必将作业装入连续区城 10.下面关于请求页式系统的页面调度算法中,说法错误的是() A.一个好的页面调度算法应减少和迎免抖动现象
16Kbit非易失性铁电存储器（FRAM）芯片FM25C160原 理及其应用 哈尔滨理工大学测控技术与通信工程学院周宝国The Principle of 16-Kbit Nonvolatile FRAM Chip FM25C160 and Its Application Zhou Baoguo 摘要：FM25C160是美国Ramtron公司生产的非易失性铁电介质读写存储器。它具有高速读写，超低功耗和无限次写入等特性。文中介绍了FM25C160的性能特点﹑管脚定义﹑内部结构和工作原理。给出了AT89C51单片机与FM25C160的接口电路图和对FM25C160的写操作流程图。 关键词：铁电存储器(FRAM)；FM25C160；SPI总线；写保护 1．概述 传统半导体存储器主要有两大体系：易失性存储器（volatile memory）和非易失性存储器（non-volatile memory）。易失性存储器主要包括静态随机存储器SRAM和动态随机存储器DRAM。非易失性存储器主要包括掩模只读存储器OTP RAM﹑可紫外线擦除可编程只读存储器EPROM﹑可电擦除可编程只读存储器EEPROM﹑可快速电擦除可现场编程的快闪存储器Flash Memory和用高能量锂电池作静态读写存储器后备电源的非易失静态读写存储器NVSRAM。 SRAM和DRAM等易失性存储器在没有电的情况下都不能保存数据。EPROM﹑EEPROM和Flash等非易失性存储器虽然在断电后仍能保存资料，但由于这类存储器均源于只读存储器（ROM）技术，因此都有不易写入的缺点。 FRAM是由美国Ramtron公司生产的非易失性铁电介质读写存储器。其核心技术是铁电晶体材料，这一特殊材料使得铁电存贮产品同时拥有随机存储器(RAM) 和非易失性存储器的特性。 铁电晶体材料的工作原理是: 当我们把电场加载到铁电晶体材料上，晶阵中的中心原子会沿着电场方向运动，到达稳定状态。晶阵中的每个自由浮动的中心原子只有两个稳定状态，一个我们记作逻辑0，另一个记作逻辑1。中心原子能在常温﹑没有电场的情况下停留在此状态达一百年以上。由于在整个物理过程中没有任何原子碰撞，铁电存储器(FRAM)拥有高速读写，超低功耗和无限次写入等特性。 FM25C160是16Kbit串行FRAM，它的主要特点如下： ● 采用2048×8位存储结构； ● 读写次数高达1百亿次； ● 在温度为55℃时，10年数据保存能力； ● 无延时写入数据； ● 先进的高可靠性铁电存储方式； ● 连接方式为高速串行接口（SPI）总线方式，且具有SPI方式0和3两种 方式； ● 总线频率高达5MHz； ● 硬件上可直接取代EEPROM；
铁电存储器(FRAM)：相对于其它类型的半导体技术而言，铁电存储器具有一些独一无二的特性。传统的主流半导体存储器可以分为两类--易失性和非易失性。易失性的存储器包括静态存储器SRAM（static random access memory)和动态存储器DRAM （dynamic random access memory)。 SRAM和DRAM在掉电的时候均会失去保存的数据。RAM 类型的存储器易于使用、性能好，可是它们同样会在掉电的情况下会失去所保存的数据。 非易失性存储器在掉电的情况下并不会丢失所存储的数据。然而所有的主流的非易失性存储器均源自于只读存储器（ROM）技术。正如你所猜想的一样，被称为只读存储器的东西肯定不容易进行写入操作，而事实上是根本不能写入。所有由ROM技术研发出的存储器则都具有写入信息困难的特点。这些技术包括有EPROM (几乎已经废止）、EEPROM和Flash。这些存储器不仅写入速度慢，而且只能有限次的擦写，写入时功耗大。 铁电存储器能兼容RAM的一切功能，并且和ROM技术一样，是一种非易失性的存储器。铁电存储器在这两类存储类型间搭起了一座跨越沟壑的桥梁--一种非易失性的RAM。 当一个电场被加到铁电晶体时，中心原子顺着电场的方向在晶体里移动。当原子移动时，它通过一个能量壁垒，从而引起电荷击穿。内部电路感应到电荷击穿并设置存储器。移去电场后，中心原子保持不动，存储器的状态也得以保存。铁电存储器不需要定时更新，掉电后数据能够继续保存，速度快而且不容易写坏。 铁电存储器技术和标准的CMOS制造工艺相兼容。铁电薄膜被放置于CMOS基层之上，并置于两电极之间，使用金属互连并钝化后完成铁电制造过程。
linux系统如何实现虚拟存储器 摘要：Linux 操作系统是一种能运行于多种平台、源代码公开、免费、功能强大、与Unix 兼容的操作系统。本文主要阐述了Linux 虚存管理的基本特点, 并分析了Linux 页式存储管理的特点、虚存的实现方法, 以及主要Linux虚拟地址空间的管理。此外还介绍了Linux缺页中断处理。 关键字：Linux ; 虚存管理; 中断处理 1.虚拟存储器 虚拟存储器的概念：以透明的方式给用户提供一个比实际内存大的多的作业地址空间。它不是任何实际的物理存储器，而是一个非常大的存储器的逻辑模型。 虚拟存储技术的实现思想：根据程序执行的局部性原理，在作业信息不全部装入内存的情况下，作业是可以运行的。例如对于一个4页大小的作业，当前只有3个空闲内存块，运行改作业的可行的办法就是将作业的3页装入内存的3个空闲块，先运行这3页，而将剩余的页暂时存放在外存上，待需要使用在第4页上的信息时，再选中在内存中的一页交换出内存，从而让出一个内存块以便装入第4页。作业的页面在内存与外存上的交换这一过程对用户是透明的，它是由操作系统自动完成的，这也相当于利用外存的空间扩充了内存空间。这就是虚拟存储技术的实现思想。根据虚拟存储技术的实现思想可知实现虚拟存储器必须具备以下条件： （1）实际内存空间。由于用户程序要在实际内存中运行，所以内存空间是实现虚拟存储器的基础。 （2）外存上的内存交换区。用户作业的一部分进入内存，另一部分暂时存放在外存的一个区域中，作业在内存与该区域之间换进、换出，该区域作为内存的扩充空间，因此，这个区域称为内存交换区。内存交换区的大小是可以设定的。但它必须受虚拟地址空间的限制。 （3）虚拟地址。针对虚拟存储器的使用，用户在编制程序时应使用逻辑地址。因此，逻辑地址也称为虚拟地址，逻辑地址空间也称为虚拟地址空间。虽然使用虚拟存储技术使得用户的作业的大小可以大于实际内存的大小，但是还是受到虚拟地址空间的限制，而虚拟地址空间的大小受到地址寄存器位数的限制，如一个32位的地址寄存器其虚拟地址空间最大为232字节，即4GB。 （4）换进、换出机制。如何实现作业在内存与交换区之间换进、换出？怎样选择作业在内存部分中的一部分进行换出？这都是实现虚拟存储技术必须解决的问题。 2.页式虚拟存储基本原理 基本思想：作业信息的副本存放在外存上，当作业被调度运行时，至少要将作业的第一页内容装入内存，在执行的过程当中，访问到不在内存的页时，再把它们调入内存。
白皮书 揭开非易失性存储器知识产权的神秘面纱 为无线、模拟、微机电系统和安全应用的SoC设计选择最佳的非易失性存储器知识产权解决方案 2011年4月 作者 Craig Zajac 新思科技有限公司高级产品营销经理 概述 随着非易失性存储器（NVM）知识产权（IP）－尤其是可编程NVM IP－的使用从微控制器等传统的嵌入式flash应用扩展至无线、模拟、微机电系统（MEMS）和安全应用，一个全新的设计师群体正在集成NVM。对于这些新的用户而言，目前有多种NVM IP使用模式和解决方案，而且它们经过优化，可以满足各类应用的要求。为了选择最佳的NVM IP解决方案，设计人员必须考虑各种NVM IP规格以及它们的微妙含义和对片上系统（SoC）设计的总体影响。 诸如工作温度、电源电流、电源电压、基本时序等很多NVM IP规格对于一系列广泛的半导体产品而言是通用的，而且很容易被理解。但是，我们应正确评估更多独有规格，以防止出现针对具体应用要求的设计过度或不足，从而增加系统的成本和风险。 本白皮书将： 探讨一些将NVM IP融入到系统之中的新应用； 描述一些现有的NVM IP解决方案； 揭示NVM IP的一些独有规格，如耐擦写次数、保存时间和写干扰，并描述它们之间的关系以及它们对应用要求的影响； 为设计人员提供如何选择最佳NVM IP解决方案的指南。 定义NVM
NVM是能够在无电源情况下保存数据的存储器。它与无电源时将丢失存储内容的静态随机存取存储器（SRAM）和动态随机存取存储器（DRAM）等技术不同。NVM的主要定义如下： 多次可编程（MTP）NVM：可重复电编程1000次以上的NVM。 数次可编程（FTP）NVM：可重复电编程1000次以下的NVM。 一次性可编程（OTP）NVM：只能编程一次、不能重复编程的NVM。 嵌入式NVM：嵌入到一个单片集成电路（IC）设计之中的NVM技术，而不是整合到多个多芯片模块中的多个IC。 NVM IP：某个第三方IP提供商或代工厂授权使用的NVM技术，目的是在某项设计中实现嵌入式NVM。 其它电路中不常使用的最有用的NVM IP规格有：比特数（bit count）、耐擦写次数（endurance）、保存时间（retention）和写干扰（write disturb）： 比特数是指NVM IP的总数据存储容量，也被称为存储密度。比特数的单位是比特或字节，1字节＝8比特。 耐擦写次数是指NVM的可编程/可重复编程次数。耐擦写次数针对的是字。例如，对于一个使用32-bit 字的NVM而言，所有编程和读操作将在所有32-bit字上同时进行。如果耐擦写次数的上限是10万次编程事件，则每个32-bit字最多可编程/可重复编程10万次。为了给应用确定合理的耐擦写次数，设计人员必须考虑需要重新写入NVM IP的总次数，包括制造和生产测试期间的写入次数。 保存时间是指NVM在无需重新编程的情况下保存数据的时间，时间测量从上一次编程事件开始。某个字每次被重新编程时，保存时间规格将被重置。设计人员应考虑应用的保存时间要求以及它与其它NVM 规格的关系。本白皮书将针对这些内容进行探讨。 写干扰是指在不干扰此前所写数据的情况下，阵列中能够发生的写操作的累计次数。例如，在一个32-bit 阵列中，如果阵列中的第一个字被写入数据，则写干扰是指：能够在其余31个字上发生的、不干扰第一个字中所写数据的编程事件的累计次数。 新的NVM IP应用领域 嵌入式NVM IP过去主要用于两个应用领域：代码存储和基本微调。 独立微控制器或嵌入式处理器等代码存储应用需要高密度的NVM IP（高达几个Mbit），而且可能需要或不需要重写数据的能力。基本微调用于调节模拟性能，因此它要求应用拥有较低的比特数（低于128-bit），而且只需在工厂中编程一次。
铁电材料的特性及应用综述 孙敬芝 （河北联合大学材料科学与工程学院河北唐山 063009）摘要：铁电材料具有良好的铁电性、压电性、热释电以及性光学等特性以及原理，铁电材料是具有驱动和传感2 种功能的机敏材料, 可以块材、膜材(薄膜和厚膜) 和复合材料等多种形式应用, 在微电子机械和智能材料与结构系统中具有广阔的潜在应用市场。 关键词：铁电材料；铁电性；应用前景 C haracteristics and Application of Ferroelectric material Sun Jingzhi ( Materials Science and Engineering college, Hebei United University Tangshan 063009,China ) Abstract:Ferroelectric material has good iron electrical, piezoelectric , pyroelectric and nonlinear optical properties, such as a driver and sensing two function piezoelectric materials, can block material, membrane materials (film and thick film) and the compound Material of a variety of forms such as application, in microelectromechanical and intelligent materials and structures in the system with vast potential application market. Keywords: ferroelect ric materials Iron electrical development trend 0前言 晶体按几何外形的有限对称图象, 可以分为32 种点群, 其中有10 种点群: 1, 2, m , mm 2, 4,4mm , 3, 3m , 6, 6mm , 它们都有自发极化。从对称性分析它们的晶体结构都具有所谓的极轴, 即利用对称操作不能实现与晶体的其它晶向重合的轴向, 极轴二端具有不同的物理性能。从物理性质上看, 它们不但具有自发极化, 而且其电偶极矩在外电场作用下可以改变方向。在介电强度允许条件下, 能够形成电滞回线。晶体这种性能称为铁电性, 具有铁电性的材料称为铁电材料。1920 年法国人V alasek 发现了罗息盐(酒石酸钾钠 ) 的特异介电性, 导致“铁电性”概念的出现(也有人认为概念出现更早)。现在各种铁电材料十分丰富,
非易失性存储器 1. 绪论 随机存储器(如 DRAM 和 SRAM 的缺点之一就是掉电后所存储的数据会随之丢失。为了克服这个问题,人们已设计并开发出了多种非易失或 /且可编程的存储器。最近,基于浮栅概念的闪存由于其小的单元尺寸和良好的工作性能已经成为最通用的非易失存储器。因此 , 在本文中,我们将着重介绍 ROM 的两种结构(即 NOR 和 NAND 阵列和闪存的基本结构及其应用。 2. MOS ROM 阵列的两种实现方法 2.1 基本 ROM 单元 只读存储器阵列可以看做是一种简单的组合布尔逻辑,即它对每个输入组合(地址都会产生一个指定的输出值。因此, 在一个特定地址存储二进制信息, 可以通过被选行 (字线与被选列 (位线间有无数据路径 (相当于特定位置上有无元件或元件是否在标准电压下导通来实现。而实现数据路径的基本结构有两种,即 NOR 和NAND 阵列。
图 2.1 ROM 的 1和 0 单元的不同实现方式 首先,考虑最简单的单元,如图 2.1(a所示,这是一个基本的 ROM 单元。假设位线 BL 通过一个电阻接地,没有任何其他的激励或输入。这就是 0单元中的情况(2.1(a下图。由于字线 WL 和位线 BL 之间不存在任何实际的连接,所以 BL 的值为低电平而 WL 得值无关。反之,当把一个高电压 WL V 加在 1单元的字线上时二极管导通,字线被上拉至 ( WL D on V V ,结果在位线上形成了一个 1。总之,在 WL 和 BL 之间是否存在一个二极管区 分了 ROM 单元中存放的是 1还是 0。 2.2 NOR ROM 结构
然而,由于二极管单元的位线与字线是不隔离的,所有需要用来充电位线电容的电流必须通过字线和它的驱动器来提供, 而这些电流这大容量存储器中是非常大的, 因此, 这一 1 (aDiode ROM (bMOS ROM 1 (cMOS ROM 2 方法只适用于小存储器。一个改善隔离的方法是在单元中使用一个有源器件,如图 2.1(b所示, 其工作原理与二极管单元相同,但是它的所有输出驱动电流都是由单元中的 MOS 管提供的, 字线驱动器只负责充电和放电字线电容。但是, 这一改进的直接代价是单元比较复杂和面积较大(额外的电源接触孔所致。图 2.2是使用这一个单元的 MOS ROM阵列。 WL [0] V DD WL [1]
第3章半导体存储器及其接口 学习目标 存储器是计算机系统中存储信息的主要部件。本章从存储器的分类、性能以及存储器基本结构着手，重点讨论随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）的 工作原理，介绍存储器的容量扩展以及与微处理器的连接方法，最后介绍微型计算 机系统中的多体存储器、高速缓冲存储器（Cache）和虚拟存储器技术。 通过对本章的学习，读者应了解半导体存储器的分类、主要性能指标，掌握随机存取存储器和只读存储器的功能特性，掌握存储器容量扩展以及与微处理器的连 接方法，领会存储器系统的层次结构以及多体存储器、高速缓冲存储器和虚拟存储 器的技术特点。 3.1 存储器概述 存储器是计算机系统中的存储部件，用于存储计算机工作时所用的程序和数据。计算机工作时，CPU自动连续地从存储器中取出指令并执行指令所规定的操作，每执行完一条或几条指令，要把处理结果保存到存储器中，因此，存储器是计算机的记忆部件，是计算机系统的重要组成部分。 随着计算机技术的发展及广泛的应用，存储器系统的读写速度也在不断地提高，存储容量不断增加。特别是近些年多媒体技术的发展以及计算机网络的应用，要求计算机存储和处理的信息量越来越大，并对存储器的存取速度不断提出更高的要求，因而在存储器系统中应用了存储器层次结构、多体结构、高速缓冲存储器、虚拟存储器等技术，外存储器容量也可以无限地扩充，成为海量存储器。 3.1.1 存储器的分类 存储器的分类方法很多，通常从以下几方面对存储器进行分类。 1．按在系统中的作用分类 根据存储器在微型计算机系统中的不同作用，可分为主存储器（简称主存或内存）和辅助存储器（简称辅存或外存）。 （1）内存。内存用来存放当前正在运行或将要使用的程序和数据，是计算机主机的一个重要的组成部分。CPU可以通过指令直接访问内存。 系统对内存的存取速度要求较高，为了与CPU的处理速度相匹配，内存一般使用快速存储器件来构成。但是，由于受到地址总线位数的限制，内存空间的大小远远小于外存的容量，例如在8086/8088系统中，由于地址总线为20位，所以最大内存空间只能达到1MB（220）。 尽管内存容量远不及外存，但是由于它具有访问速度快的特点，使得内存被用来存放计