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铁电存储器读取函数-回复什么是铁电存储器？它的工作原理是什么？如何进行数据读取？铁电存储器是一种非挥发性存储器，它利用铁电材料的特殊性质来存储和读取数据。
和传统的存储器相比，铁电存储器具有更高的存储密度、更低的功耗和更长的数据保存时间。
铁电存储器的工作原理基于铁电效应。
铁电材料在外加电场的作用下，其原子排列发生变化，从而改变材料的极化方向。
这种极化的方向可以表示二进制位的值，例如正极化表示“1”而负极化表示“0”。
数据的读取是通过对铁电材料施加外加电场来实现的。
读取操作是非破坏性的，即通过改变电场的方向来检测和测量材料的极化状态，而不会改变它。
这是铁电存储器的一个重要特点，因为它允许多次读取而不会导致数据的丧失或损坏。
数据的读取操作可以分为以下几个步骤：1. 设置读取电场：首先，需要设置一个适当的读取电场，以确保能够正确读取数据。
这个电场的强度和方向需要根据具体的铁电材料和存储器结构来确定。
2. 施加读取电场：接下来，将读取电场施加到铁电存储器上。
这可以通过使用适当的电路和设备来完成。
3. 检测极化状态：一旦读取电场施加到铁电存储器上，就可以检测和测量材料的极化状态。
这可以通过一些传感器或探测器来实现。
4. 确定二进制值：通过检测极化状态，可以确定每个二进制位的值。
正极化表示“1”，而负极化表示“0”。
5. 输出数据：最后，将读取的数据输出到外部设备或处理器中。
这可以通过一系列的电路和通信接口来实现。
需要注意的是，读取铁电存储器的过程相对比较复杂，并且需要一些特殊的设备和技术来实现。
因此，实际应用中需要考虑诸如电路设计、信号处理和噪声消除等方面的问题。
可以预见的是，随着技术的进一步发展，铁电存储器将在数据存储领域发挥越来越重要的作用。
它不仅可以应用在传统的计算机存储器中，还可以用于其他领域，例如物联网设备、嵌入式系统和人工智能算法等。
总体而言，铁电存储器的读取操作是通过设置读取电场、施加读取电场、检测极化状态、确定二进制值和输出数据等步骤来实现的。
![铁电存储器 [自动保存的]](https://img.taocdn.com/s1/m/11a7c8076529647d2628523c.png)
完美的铁电存储器一. Fujitsu铁电存储器(FRAM) 技术原理日本Fujitsu公司是全球最大的铁电存储器(FRAM)供货商，至2010年12月31日，全球已经累计出货17亿颗铁电存储器！Fujitsu公司铁电存储器(FRAM)的核心技术是铁晶体管材料，这一特殊材料使得铁电存储产品同时拥有随机存取内存(RAM) 和非挥发性存贮产品(ROM)的特性。
铁晶体管材料的工作原理是：当我们把电场加载到铁晶体管材料上，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，一个我们拿来记忆逻辑中的０、另一个记亿１，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。
铁电存储器不需要定时刷新，能在断电情况下保存资料。
二、Fujitsu铁电存储器(FRAM) 技术优点传统半导体内存有两大体系：挥发性内存(Volatile Memory)，和非挥发性内存(Non-volatile Memory)。
挥发性内存如SRAM和DRAM 在没有电源的情况下都不能保存资料，但这种内存拥有高性能、易用等优点。
非挥发性内存像 EPROM、 EEPROM和 FLASH 能在断电后仍保存资料，但由于所有这些内存均起源自只读存储器 (ROM) 技术，所以您不难想象得到它们都有不易写入的缺点，确切的来说，这些缺点包括写入缓慢、有限次写入次数、写入时需要特大功耗等等。
FRAM第一个最明显的优点是FRAM可跟随总线(Bus Speed)速度写入，若比较起 EEPROM/Flash的最大不同的是 FRAM在写入后无须任何等待时间(NoDelayTM Write)，而 EEPROM/Flash须要等 3~10毫秒 (mS) 才能写进下一笔资料。
铁电存储器(FRAM)的第二大优点是近乎无限次读写。
当 EEPROM/Flash只能应付十万次 (10的5次方)至一百万次写入时，新一代的铁电存储器(FRAM)已达到一百亿个亿次(10的 10次方)的写入寿命。
FRAM技术Faler整理 2007-4-2FRAM的工作原理FRAM技术的核心是将微小的铁电晶体集成进电容内，使到FRAM产品能够象快速的非易失性RAM那样工作。
通过施加电场，铁电晶体的电极化在两个稳定状态之间变换。
内部电路将这种电极化的方向感知为高或低的逻辑状态。
每个方向都是稳定的，即使在电场撤除后仍然保持不变，因此能将数据保存在存储器中而无需定期更新。
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。
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。
铁电存储器FM24C16原理及其综合应用Ramtron铁电存储器FRAM1、铁电存储器技术原理、特性及应用美国Ramtron公司铁电存储器(FRAM)的核心技术是铁电晶体材料。
这一特殊材料使铁电存储器同时拥有随机存取记忆体(RAM)和非易失性存储器的特性。
铁电晶体的工作原理是：当在铁电晶体材料上加入电场，晶体中的中心原子会沿着电场方向运动，达到稳定状态。
晶体中的每个自由浮动的中心原子只有2个稳定状态，一个记为逻辑中的0，另一个记为1。
中心原子能在常温、没有电场的情况下，停留在此状态达100年以上。
铁电存储器不需要定时刷新，能在断电情况下保存数据。
由于整个物理过程中没有任何原子碰撞，铁电存储器有高速读写、超低功耗和无限次写入等特性。
铁电存储器和E2PROM比较起来，主要有以下优点：(1)FRAM可以以总线速度写入数据，而且在写入后不需要任何延时等待，而E2PROM在写入后一般要5～10ms的等待数据写入时间；(2)FRAM有近乎无限次写入寿命。
一般E2PROM的寿命在十万到一百万次写人时，而新一代的铁电存储器已经达到一亿个亿次的写入寿命。
(3)E2PROM的慢速和大电流写入使其需要高出FRAM 2 500倍的能量去写入每个字节。
由于FRAM有以上优点，其特别适合于那些对数据采集、写入时间要求很高的场合，而不会出现数据丢失，其可靠的存储能力也让我们可以放心的把一些重要资料存储于其中，其近乎无限次写入的使用寿命，使得他很适合担当重要系统里的暂存记忆体，用来在于系统之间传输各种数据，供各个子系统频繁读写。
从FRAM问世以来，凭借其各种优点，已经被广泛应用于仪器仪表、航空航天、工业控制系统、网络设备、自动取款机等。
在设计的碳控仪系统中，由于对控制碳势适时性的要求较高，而且系统由2个子系统构成，每个子系统都要频繁读写存储器，所以我们把原来的X25045换成FM24C16以满足要求。
2 FM24C16引脚说明及工作过程FM24C16-P(8脚双列直插)外形图及引脚定义如图1及表1所示。
Ramtron推出首款2兆位串行F-RAM存储器FM25H20类别：新品推荐发布时间：2008-4-17 阅读：879Ramtron推出首款2兆位串行F-RAM存储器，采用8脚TDFN (5.0 x 6.0 mm) 封装。
FM25H20采用先进的130纳米CMOS工艺生产，是高密度的非易失性F-RAM存储器，以低功耗操作，并备有高速串行外设接口(SPI)。
该3V、2Mb串行F-RAM器件以最大的总线速度写入，具有几乎无限的耐用性，通过微型封装提供更大的数据采集能力，使系统设计人员能够在计量和打印机等高级应用中减少成本和板卡空间。
FM25H20是串行闪存的理想替代产品，用于要求低功耗和最小板卡空间的精密电子系统中，包括便携式医疗设备如助听器等，它们实际上是微型数据处理器，但受到空间有限及功耗低的限制。
与闪存相比，F-RAM的优势包括大幅降低工作电流、写入速度更快、写入耐用性更比闪存高出多个数量级。
Ramtron 战略市场拓展经理Duncan Bennett 解释道：“对于那些需要在其新一代应用中提高数据采集能力，却不增加板卡空间的计量和打印机客户而言，这款2Mb 串行F-RAM 是自然的产品延伸。
FM25H20以相同的小占位面积，为半兆位串行F-RAM 客户提供高达四倍的存储能力。
除提升现有系统外，这种技术发展还推动F-RAM 进入多个需要低功耗存储器而空间严重受限的新兴市场，如便携式医疗设备。
”FM25H20是256K x 8位非易失性存储器，以高达40MHz的总线速度进行读写操作，具有几乎无限的耐用性、10年的数据保存能力，以及低工作电流。
该器件设有工业标准SPI接口，优化了F-RAM的高速写入能力。
FM25H20还备有软件和硬件写保护功能，能避免意外的写入与数据损坏。
该2Mb串行F-RAM以低功耗工作，在40MHz下读/写操作的耗电低于10mA，待机状态下耗电为80μA (典型值)，超低电流睡眠模式下耗电为3μA (典型值)。
铁电存储器工作原理及应用
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”。
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。
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SRAM 直接替换。
FRAM产品具有RAM和ROM优点，读写速度快并可以像非易失性存储器一样使用。
因铁电晶体的固有缺点，访问次数是有限的，超出限度，FRAM就不再具有非易失性。
Ramtron给出的最大访问次数是100亿次（10 10），但是并不是说在超过这个次数之后，FRAM就会报废，而是它仅仅没有了非易失性，但它仍可像普通RAM一样使用。
（1）FRAM与E2PROM
FRAM可以作为E2PROM的第二种选择。
它除了E2PROM的性能外，访问速度要快得多。
但是决定使用FRAM之前，必须确定系统中一旦超出对FRAM的100亿次访问之后绝对不会有危险。
（2）FRAM与SRAM
从速度、价格及使用方便来看，SRAM优于FRAM；但是从整个设计来看，FRAM还有一定的优势。
假设设计中需要大约3KB的SRAM，还要几百个字节用来保存启动代码的E2PROM配置。
非易失性的FRAM可以保存启动程序和配置信息。
如果应用中所有存储器的最大访问速度是70ns，那么可以使用1片FRAM完成这个系统，使系统结构更加简单。
（3）FRAM与DRAM
DRAM适用于那些密度和价格比速度更重要的场合。
例如DRAM是图形显示存储器的最佳选择，有大量的像素需要存储，而恢复时间并不是很重要。
如果不需要下次开机时保存上次内容，使用易失性的DRAM存储器就可以。
DRAM的作用与成本是FRAM无法比拟的。
事实证明，DRAM 不是FRAM所能取代的。
（4）FRAM与Flash
现在最常用的程序存储器是Flash，它使用十分方便而且越来越便宜，程序存储器必须是非易失性的，并且要相对低廉，还要比较容易改写。
而使用FRAM会受访问次数的限制。
4 FRAM与单片机接口
下面介绍并行FRAM——FM1808与8051/52—的实际应用。
4.1 预充电信号的产生
在大多数的8051系统中，对存储器的片选信号CE通常允许在多个读写访问操作时保持为低。
但这对FM1808不适用，必须在每次访问时CE由硬件产生一个正跳变。
标准8051核的一个机器周期包括12个时钟周期，ALE信号在每个机器周期中有效两次，除了对外部数据存储器访问时仅有效一次。
8051对外部存储器的读或写操作需要两个机器周期。
快速型8051如DS87C520或W77E58的一个机器周期仅需4个时钟周期，而在一些新的，如Philips的8051中，一个机器周期为6个时钟周期，在任何一个机器周期中ALE信号都有效两次。
尽管有这些不同，仍可以用ALE信号和地址片选来产生可用作FRAM访问的CE信号。
要保证对FM1808的正确访问，必须注意两点：
第一，FRAM的访问时间必须大于70ns；
第二，ALE的高电平宽度必须大于60ns。
对于标准的8051/52，ALE信号的宽度因不同厂家略有不同。
一些快速的8051/52系列，如Dallas的DS87C520，Winbond的W77E58则更窄一些。
根据前面的介绍，要实现对FM1808的正常操作，对于标准8051/52来说，主频不能高于20MHz；而对于高速型的8051/52，主频不应高于23MHz。
4．2 FM1808与8051的接口电路
FM1808与8051接口电路如图4所示。
这里使用8051的ALE信号和由地址产生CE的片选信号相“或”来产生CE的正跳变。
2片32K×8的FRAM存储器，A15与ALE通过74FC32相“或”作为U2的片选，取反后作为U3的片选。
所以，U2的地址为0～7FFFH，U3的地址为8000H～FFFFH。
8051的RD信号与PSEN信号相“与”后作为U3的输出允许，所以U3作为程序或数据存储器使用。
当J1跳接块在右边时，U2与U3用法相同；而J1跳接在左边时，U2仅作为程序存储器。
要保证代码不会意外地被改写，仅需断开J2即可。
需要注意的是，由于逻辑门电路都有6～8ns的延时时间，在主频较高时对应使用快速型逻辑芯片（F系列）。
结语
FRAM产品为我们提供了可使用的存储器的一种新选择，在原来使用E2PROM的应用中表现会更出色，为某些原来认为需要使用SRAM的E2PROM的应用系统找到一种新的途径。
但是由于最大访问次数的限制，要成为理想的通用存储器，FRAM还有很长的路要走。
