非易失性铁电存储器(FRAM)芯片

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从上述的阐述可知系统掉电时要把数据写入EEPROM此方案的筹码赌在掉电检测电路和电容上为了解决这一问题设计者把掉电检测提升到检测市电和用2个掉电检测电路把电容的容量增大和用2个电容为了减小检测电路和电容的影响采用2个EEPROM从而降低SRAM缓冲的量值提高存储的精度方案2采用NVRAM来做数据存储方案3这种方案可以解决EEPROM的不足但大家都知道NVRAM的价格很高用铁电存储器可以解决上面存储器所面临的问题首先看一看铁电存储器的特点1非易失性掉电后数据能保存10年所有产品都是工业级2擦写次数多5V供电的FRAM的擦写次数100亿次低电压的FRAM的擦写次数为1亿亿次3速度快串口总线的FRAM的CLK的频率高达20M并且没有10MS的写的等待周期并口的访问速度70NS4功耗低静态电流小于10UA读写电流小于150UA5读写无限次在FRAM读写次数超过100亿次5V供电的FRAM后FRAM还能工作只是数据不能保存基于铁电存储器的特点 我们可以对电表的设计进行完全的改革 图4由于FRAM 的读写次数为100亿次 MCU 检测到一个脉冲就可以写入FRAM 内 以3200个脉冲为1度计算 FRAM 能存3百万度电 对单相表和单相复汇率表以是足够用 由于电量数据是实时写入FRAM 所以不担心掉电后 数据会丢的问题 由于铁电存储器没有10MS 的写周期 所以不必担心电容的容量变小后会对FRAM 数据存储有影响 因为铁电存储器内没有缓冲区 数据是直接写如FRAM 对应的地址中 所以写入的数据不会出错 即使出错 MCU 通过协议可以知道 所以同一数据不必存储到3个不同的地址 图5铁电存储器应用在计量系统中有其他产品不可替代的优势 如电表 水表 煤气表等 在下期将与工程师讨论铁电存储器在税控机的应用。

铁电存储器MB85RC64（8K×8）1.概述MB85RC64了FRAM（铁电随机存取记忆体）独立芯片配置了8192×8位，形成铁电工艺和硅栅CMOS工艺技术非易失性内存中的细胞。

MB85RC64采用两线串行接口（与世界标准的I2C总线兼容）。

与SRAM不同的MB85RC64是无需使用数据备份电池，能够保留数据。

MB85RC64的读写次数10亿次，与EPROM和FLASH相比，有显著的改善。

而且不在向写完存储器后，不需要查询序列。

2.特性●位操作：8192×8位●工作电压：2.7V—3.3V●工作频率：400KHz●两串行总线：I2C总线2.1标准版，支持标准模式和快速模式，由SCL和SDA控制。

●工作温度范围：-40℃—85℃●数据保持：10年（55℃）●读写寿命：至少每位10亿次●封装：Plastic / SOP, 8-pin (FPT-8P-M02)●低电压消耗：工作电流0.15mA，待机电流5uA3.管脚分配3.管脚功能描述4.模块框图5.I2C电路MB85RC64有两线串行接口，支持I2C总线，并作为从器件工作。

I2C总线定义的“主机”和“从机”设备的沟通角色，主机启动总线控制权。

此外，通过I2C总线，在一个主机可以连接多个从器件。

在这种情况下，必须给从器件分配一个唯一的设备地址。

6.I2C通信协议I2C总线是双线串行接口，采用了双向数据总线（SDA）和串行时钟（SCL）。

数据传输只能由总线主机，这也将提供串行时钟的同步启动。

SCL为低电平时，SDA信号应该改变。

然而，作为一种例外，启动和停止时的通信序列，SDA被允许改变当SCL为高电平。

●启动条件：开始时，SCL为稳定高电平，SDA产生下降沿。

●停止条件：停止时，SCL为稳定低电平，SDA产生上升沿。

停止条件是终止从设备和主机通信。

MB85RC64不需要像内部写存储器像E2PROM花时间去查询序列，因此当写停止命令结束，设备进入待机模式。

LSB
催䰏ᡫ
DS501-00014-2v0-Z
9
MB85RS16
• RDID
RDID 命令读取固定的器件 ID。执行 RDID 操作码到 SI 之后，32 周期时钟输入 SCK。SI 值此时无效。SO 同步输出到 SCK 的下降沿。输出顺序是制造商 ID（8 位）/ 继续代码（8 位）/ 产品 ID（第 1 个字节）/ 产 品 ID （第 2 个字节）。 在 RDID 命令中，通过在 CS 上升之前连续发送 SCK 时钟， SO 在 32 位器件 ID 输出之后保持最后一位的 输出状态。
名称
描述
操作码
WREN
设置写使能锁存器
0000 0110B
WRDI
复位写使能锁存器
0000 0100B
RDSR
读状态寄存器
0000 0101B
WRSR
写状态寄存器
0000 0001B
READ
读内存代码
0000 0011B
WRITE
写内存代码
0000 0010B
RDID
读器件 ID
1001 1111B
MB85RS16
■ 引脚分配
CS SO WP GND
( 顶视图 ) 1 2 3 4
8
VDD
7
HOLD
6
SCK
5
SI
(FPT-8P-M02)
■ 引脚功能描述
引脚编号 引脚名称
功能描述
芯片选择引脚
这是进行芯片选择的输入引脚。当 CS 为 “高”电位时，器件处于取消选择 （等待）状
1
CS 态， SO 成为高阻抗状态。这次会忽略从其他引脚的输入。 CS 为 “低”电平时，器件

摘要：FRAM是一种新型存贮器，最大特点是可以随总线速度无限次的擦写，而且功耗低。

FRAM 性能优越于EEPROMAT24C256。

关键词：存贮器；FM24C256；AT24C256；EEPROM一．概述：FRAM是最近几年由RAMTRON公司研制的新型存贮器，它的核心技术是铁电晶体材料，拥有随即存取记忆体和非易失性存贮产品的特性。

FM24C256是一种铁电存贮器（FRAM）,容量为256KBIT存贮器，它和AT24C256容量等同，总线结构兼容，但FM24C256的性能指标远大于AT24C256。

在存贮器领域中，FM24C256应用逐渐被推广和认可，尤其是大容量存贮器，它的优良特性远高于同等容量的EEPROM。

在电子式电能表行业中，数据安全保存是最重要的。

随着电子表功能的发展，保存的数据量越来越大，这就需要大容量的存储器，而大容量的EEPROM性能指标不是很高，尤其是擦写次数和速度影响电能表自身的质量。

FM24C256在电能表中的使用，会提高电能表的数据安全存贮特性。

二．铁电存贮器（FRAM）FM24C256的特性：传统半导体记忆体有两大体系：易失性记忆体（volatilememory）和非易失性记忆体（non-volatilememory）。

易失性记忆体像SRAM和DRAM在没有电源的情况下都不能保存数据。

但这种存贮器拥有高性能、易用等优点。

非易失性记忆体像EPROM，EEPROM和FLASH能在断电后仍保存数据。

但由于所有这些记忆体均起源自ROM技术，所以不难想象得到他们都有不易写入的缺点：写入缓慢、读写次数低、写入时工耗大等。

FM24C256是一个256Kbit的FRAM，总线频率最高可达1MHz，10亿次以上的读写次数，工耗低。

与典型的EEPROMAT24C256相比较，FM24C256可跟随总线速度写入，无须等待时间，而AT24C256必须等待几毫秒（ms）才能进行下一步写操作。

FM24C256可读写10亿次以上，几乎无限次读写。

二、FRAM原理及特点
写入方法与DRAM稍有不同。DRAM利用电容器中有无电荷记录数据，因此使用名 为位线的布线单向加压。而FeRAM由于必须双向加压，因此除位线以外，还添加 了名为板线的线路。写入“1”时，由板线向位线加压。写入“0”时则反过来由 位线向板线加压。 读取方法也不同于DRAM。DRAM根据电容器中有无电荷判定 “1”或“0”。而FeRAM则不能直接读出电容器的状态。因此读取时通过强行写 入“1”，来判定“0”还是“1”。数据为1时由于状态不变，因此电荷移动少。 而数据为0时由于状态发生反转，因此会产生大的电荷移动。利用这种电荷差判 定1和0， FeRAM在读取时也进行写入动作。
铁电存储器成品图
五、FRAM与其它存储技术比较
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。
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。 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 使用一片FRAM完成这个系统，使系统结构更加简单。
但是在铁电电容中反复写入会使之加速老化。
也就是说不仅是写入时，读取时FeRAM也会产生 老化，并且FeRAM在读取时与DRAM一样，是破坏 性读取，所以也需要像DRAM那样进行回写操作
FRAM的读操作
FRAM读操作过程是：在存储单元电容上施加一已 知电场，如果原来晶体的中心原子的位置和施加的电 场方向后使中心原子达到的位置相同，则中心原子不 会移动；若不相同，则中心原子将越过晶体中间层的 高能阶到达另一位置，则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 尖峰，把这个充电波形 同参考位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”。。

关于铁电存储器(FRAM)的常见问答问：和其它非易失性存储器制造技术相比，铁电存储器在性能方面有什么不同吗?答： 铁电存储器在性能方面与EEPRON和Flash相比有三点优势之处: 首先，铁电存储器的读写速度更快。

与其它存储器相比，铁电存储器的写入速度要快10万次以上。

读的速度同样也很快，和写操作在速度上几乎没有太大的区别。

其次，FRAM存储器可以无限次擦写，而EEPROM则只能进行100万次的擦写。

最后，铁电存储器所需功耗远远低于其他非易失性存储器。

问：和其它存储器相比铁电存储器有什么不同吗？答： 如果要回答这个问题的话，简单了解一下存储器技术的背景资料很有必要。

存储器的生产技术可以分为两类：易失性和非易失性。

易失性存储器在断电后存储的数据 会丢失，而非易失性存储器则不然。

传统的易失性存储器包括SRAM(静态随机存储器)和DRAM(动态随机存储器)。

他们都源自RAM技术-随机存取存储 器技术。

RAM 的主要优点是容易使用且读写操作类似。

但是传统RAM的主要缺点是其只能被用来做暂时性的存储。

传统的非易性存储器技术均源自ROM技术，即只读存储器技 术。

经过各种技术的改进，工程师们创造出Flash和EEPROM存储器，这些改进的存储器开始能够进行写入操作了。

但是这种基于ROM技术生产的存储器 都有不易写入、写入需要特大功耗等缺点。

所以传统的基于ROM技术制造的存储器是不适应需要多次写入操作的应用领域的。

而铁电存储器(FRAM)则是第一个非易失性的RAM存储器。

它结合了SRAM和DRAM易写入的特性，又具有Flash和EEPROM得非易失性的特点。

问：铁电存储器怎样与其它高性能的非易失性存储器，诸如MRAM来竞争？答： 两者最大的区别就是产品技术和市场是否成熟。

铁电存储器是从实验室研发阶段一步步发展到拥有巨大客户群的生产销售阶段的。

而 MRAM和其他比较高级的存储器虽然承诺的条件和技术很好，但是在实际应用层面还面临着许多障碍，很难达到目前铁电存储器的水平，并且铁电存储器的技术还 在不断的更新和改进。

与EEPROM系列不同的是，FM24CL64以 总线速度进行写操作，无须延时。数据发到 FM24CL64后直接写到具体的单元地址， 下一 个总线操作可以立即开始。 FM24CL64的读写 寿命是EEPROM的很多倍速，而且由于无需要 内部电压提升电路，FM24CL64在写操作期间 功耗比EEPROM低得多。
第 4页
源正常或者没有新的地址被写入，那么内部地址将一 直保持。读操作总是使用当前地址，如果要执行一个 随机地址读操作，那么必须执行一个写操作，这一点 将在下面进行描述。 每一个字节传送后，FM24CL64内部地址锁存器在应答 前递增。这样在没有另外的寻址要求情况下，就可以
访问下一个顺序字节。在最后一个地址１ＦＦＦＨ到达后， 地址计数器的内容又返回到００００Ｈ。在一个读写操作
主机每次应答一个字节后，标明ＦＭ２４ＣＬ６４将读出 下一个顺序字节。 有四种方式可以正确的终止读操作，失败地终止 读操作就很有可能会造成总线竞争，此时 FM24CL64总是试图读出额外的数据送到总线上。
数据/地址传送
所有数据传送（包括地址）都发生在SCL为高电平 的时候，除了以上两种情况外，SDA信号在SCL 为高电平时不能改变。
应答
在任何传送中，应答信号出现在第8位数据位被传 送之后，在这个状态下，发送方应该释放SDA信号 以便由接收方驱动。接受方驱动SDA为低电平，以
应答收到一个字节数据。如果接收方没有发出 应答信号，那么这是一个无应答状态，操作 将被中止。有两个明显的理由使得接收方没有发
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总体概述
FM24CL64是一种串行非易失存储器，它的 结构容量为8，192*8位，接口方式为工业标准二 线制造串行接口，与串行EEPROM的功能操作相 似，与EEPROM具有相同的引脚排列，不同之处 在于，FM24CL64具有非常出色的写操作性能。

铁电存储器MB85RC64（8K×8）1.概述MB85RC64了FRAM（铁电随机存取记忆体）独立芯片配置了8192×8位，形成铁电工艺和硅栅CMOS工艺技术非易失性内存中的细胞。

MB85RC64采用两线串行接口（与世界标准的I2C总线兼容）。

与SRAM不同的MB85RC64是无需使用数据备份电池，能够保留数据。

MB85RC64的读写次数10亿次，与EPROM和FLASH相比，有显著的改善。

而且不在向写完存储器后，不需要查询序列。

2.特性●位操作：8192×8位●工作电压：2.7V—3.3V●工作频率：400KHz●两串行总线：I2C总线2.1标准版，支持标准模式和快速模式，由SCL和SDA控制。

●工作温度范围：-40℃—85℃●数据保持：10年（55℃）●读写寿命：至少每位10亿次●封装：Plastic / SOP, 8-pin (FPT-8P-M02)●低电压消耗：工作电流0.15mA，待机电流5uA3.管脚分配3.管脚功能描述管教编号管脚名功能描述1—3 A0/A1/A2 器件地址一个I2C总线可以连接8个和MB85RC64类似的器件。

通过将A0/A1/A2与VDD和VSS连接，确定每个器件的地址。

如果A0/A1/A2未连接，默认为0。

CPU通过SDA线输出一个地址与器件进行匹配。

4 VSS 数字地5 SDA 数据IO串口这是双向通信的数据IO口，用来读写铁电存储器的阵列数据，这是开漏极输出，可能是与其它漏极开路(或者集电极开路信号总线)进行线或运算，因此需要一个上拉电阻连接到外部电路。

6 SCL 时钟串口这是时钟输入口，时钟上升沿进行数据采样，下降沿进行数据输出。

7 WP 写保护WP是H电平，禁止写入。

WP是L电平，可进行写数据，如果WP没有置位，默认为L电平。

而读数据操作，不受WP 管脚的限制。

8 VDD 电源电压4.模块框图5.I2C电路MB85RC64有两线串行接口，支持I2C总线，并作为从器件工作。

fram工艺FRAM（Ferroelectric Random Access Memory）是一种非易失性存储器，它FRAM（Ferroelectric Random Access Memory）是一种非易失性存储器，它利用铁电材料的极化特性来存储数据。

FRAM具有高速读写、低功耗、高可靠性和长寿命等优点，因此在许多领域都有广泛的应用前景。

本文将对FRAM 工艺进行详细介绍。

1. FRAM的工作原理FRAM的工作原理是利用铁电材料的极化特性来存储数据。

铁电材料具有两种稳定的状态：正向极化和反向极化。

在这两种状态下，铁电材料的电阻率有很大的差异。

通过改变铁电材料的极化状态，就可以实现数据的写入和读取。

FRAM的数据存储是通过铁电材料的电容来实现的。

当铁电材料处于正向极化状态时，其电容较小；当铁电材料处于反向极化状态时，其电容较大。

通过检测铁电材料的电容变化，就可以判断出存储的数据是0还是1。

2. FRAM的优点FRAM具有以下优点：（1）高速读写：FRAM的读写速度非常快，可以达到几纳秒的级别。

这使得FRAM非常适合于高速数据传输和实时数据处理的应用。

（2）低功耗：FRAM的读写操作不需要额外的能量，因此其功耗非常低。

这使得FRAM非常适合于低功耗电子设备的设计。

（3）高可靠性：FRAM是非易失性存储器，即使在断电的情况下，数据也不会丢失。

此外，FRAM的寿命非常长，可以达到10亿次以上的读写操作。

（4）抗辐射：FRAM对辐射具有很强的抗干扰能力，这使得它在航天、军事等领域具有很大的应用潜力。

3. FRAM的缺点尽管FRAM具有很多优点，但它也存在一些缺点：（1）价格较高：由于FRAM的制造工艺复杂，目前其价格相对于其他存储器来说较高。

随着技术的发展和市场需求的增加，预计未来FRAM的价格会逐渐降低。

（2）容量限制：目前市场上常见的FRAM存储容量为几十千比特到几百千比特。

虽然已经有一些公司开始研发更大容量的FRAM，但其成本和可靠性仍然是一个问题。

个非易失性 的 Ｒ Ｍ存储器产 品。 Ａ
Ｉ ＣＣ
个 我 们 拿 来 记 忆 逻辑 中 的“ ”另 一 个 记 忆 … ’ 中 心 原 子 能 在 ０， １。 常 温 ， 有 电 场 的情 况 下 停 留 在 此 状 态 达 一 百 年 以 上 。铁 电 记 没 忆 体 不 需 要 定 时 刷 新 ， 在 断 电 情 况 下 保 存 数据 。 能 由 于 在 整 个 物 理 过 程 中没 有 任 何 原 子 碰 撞 ，铁 电记 忆 体 （Ｒ Ｍ） 有 高 速 读 写 、 低 功 耗 和 无 限 次 写 入 等 超级 特 性 。 ＦＡ 拥 超 传 统 半 导 体 记 忆 体 有 易失 性 记 忆 体 （ｏ ｔｅｍ ｍ ｒ） 非 ｖｌ ｉ ｅ ｏｙ 和 ａｌ 易 失 性 记 忆 体 （ｏ —ｖｌ ｉ ｅ ｒ） 大 体 系 ， 失 性 记 忆 体 ｎ ｎ ｏａ ｌ ｍ ｍｏ 两 ｔｅ ｙ 易 如 Ｓ Ａ 和 Ｄ Ａ 在 没 有 电 源 的情 况 下 都 不 能 保 存 数 据 ， ＲＭ Ｒ Ｍ， 但 这 种 存 储 器 拥 有 高 性 能 、易 用 等 优 点 。非 易 失 性 记 忆 体 如 Ｅ — Ｐ Ｏ 、 Ｅ Ｒ Ｍ 和 Ｆ Ａ Ｈ 能 在 断 电后 仍 保 存 数 据 ， 由于 所 Ｒ Ｍ Ｅ ＰＯ ＬＳ 但
Ｓ￣ｏ ｓ ｔｃ ｎ０
有这些记忆 体均源 自只读存储 器 （ Ｏ 技术 ，所 以它们都 有 Ｒ Ｍ）
不 易写 入 的 缺 点 。确 切 地 说 ， 这些 缺 点 包 括 写 入 缓 慢 、 限 写 有 入 次 数 、 入 时 需 要 特 大 功 耗 等 等 。图 １ １ Ｋ 比特 铁 电存 储 写 为 ６
Ｒａ ｒ ｎ ＦＭ２ ｍｔｏ ４Ｃ１ ６ Ａｔ ｌ ｍｅ Ｓ Ｔ ＡＴ２ ４Ｃ１ ６ ｓ ＇４Ｃ１ １２ ６

一、什么是铁电存储器（F-RAM）相对于其它类型的半导体技术而言，铁电随机存储器（F-RAM）具有一些独一无二的特性。

已经确定的半导体存储器可以分为两类：易失性和非易失性。

易失性存储器包括静态随机存取存储器（SRAM）和动态随机存取存储器（DRAM）以及其他类型存储器。

RAM类型存储器易于使用，高性能，但它们有着共同的弱点：在掉电的情况下会失去所保存的数据。

F-RAM芯片技术采用一种锆钛酸铅[Pb(Zr,Ti)O3，简称为PZT的铁电薄膜材料，该铁电材料的晶体微结构如图1所示。

在铁电晶体中位于晶胞中心的Ti（或Zr）原子在外电场作用下，向上或向下产生物理偏移，撤掉外电场后，仍表现出一定的电极性，铁电存储器就是利用这两个稳定态来代表数字逻辑中的“1”和“0”，从而来存储信息。

与传统RAM器件不同，F-RAM在电源被关闭或中断时，由于PZT 晶体具有剩余极化的特性，所以能够保留其所存储的数据。

这种独特的性质使F-RAM成为一个低功耗、非易失性存储器。

同时由于在离子辐照情况下，铁电电容所存储“1”和“0”时的两个态，很难被改变，所以具有很好的抗辐射性能。

图1 具有钙钛矿结构PZT薄膜结构图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,器件结构如图2所示。

图2 铁电存储器存储单元剖面图F-RAM、ROM都属于非易失性存储器，在掉电情况下数据不会丢失。

新一代ROM，像EEPROM（可擦可编程只读存储器）和Flash存储器，可以被擦除，并多次重复编程，但它们需要高电压写入且写入速度非常慢。

基于ROM技术的存储器读写周期有限（仅为1E5次），使它们不适合高耐性工业应用。

F-RAM比一般串口EEPROM器件有超过10,000倍的耐性，低于3,000倍的功耗和将近500倍的写入速度（图 3）,还有出色的抗干扰能力(包括抗伽玛射线)、极高的可靠性和工作寿命。

FRAM 常见问题解答1. 什么是 FRAM？FRAM 是 ferroelectric random access memory（铁电随机存取存储器）的首字母缩写，它是非易失性存储器，即便在断电后也能保留数据。

尽管从名称上说，FRAM 是铁电存储器，但它不受磁场的影响，因为芯片中不含铁基材料（铁）。

铁电材料可在电场中切换极性，但是它们不受磁场的影响。

2. FRAM 较之闪存/EEPROM 具有哪些主要优势？1) 速度。

FRAM 具有快速写入的特性。

写入到 FRAM 存储器单元的实际时间小于50ns，这超越了所有其他存储器的类似操作。

这大约比 EEPROM 快 1000 倍。

此外，与需要两步（写入命令和随后的读取/验证命令）才能写入数据的EEPROM 不同，FRAM 的写入操作与读取操作发生在同一过程中。

只提供一个存储器访问命令，实现读取或写入功能。

因此，与 EEPROM 写入处理相关联的所有时间实际上在基于 FRAM 的智能 IC 中被有效地消除了。

2) 低功耗。

在低电压下写入 FRAM 单元，并且只需很低的电流即可更改数据。

对于 EEPROM，则需要高电压。

FRAM 使用非常低的电源电压----1.5V，而 EEPROM 则使用 10-14V 电源电压。

FRAM 的低电压意味着低功耗，同时能够在更快的处理速度下实现更多功能。

3) 数据可靠性。

由于只需要少量能量，因此操作FRAM所需的所有能量在数据写入开始时就被预先加载。

这就避免了“数据分裂” —由于能源缺乏的关系导致部分数据在写入时被破坏。

基于 EEPROM 的智能 IC 在写周期内被从射频(RF) 磁场电源中移除时就会出现这种情况。

此外，FRAM 还具有 100 兆次的写入/读取数或更多 ---- 远远超过了EEPROM 的写入数量。

3. FRAM 在高温环境下的表现如何？FRAM 是一项非常强大可靠的存储技术，即使在高温环境下也是如此。

带RTC（Real-Time Clock）的I2C总线铁电存储器FM31256 内容摘要：FM31256是一种基于I2C总线、采用铁电体技术的多功能存储芯片。

除了非易失存储器外，该器件还具有实时时钟、低电压复位、看门狗计数器、非易失性事件计数器、可锁定的串行数字标识等多种功能。

文章主要介绍了FM31256的基本功能、原理，并结合实例给出了其在电磁铸轧电源控制装置中的具体应用方法。

FM31256是由Ramtron公司推出的新一代多功能系统监控和非易失性铁电存储芯片。

与其他非易失性存储器比较，它具有如下优点：读/写速度快，没有写等待时间；功耗低，静态电流小于1 mA，写入电流小于150 mA；擦写使用寿命长，芯片的擦写次数为100亿次，比一般的EEPROM存储器高10万倍，即使每秒读/写30次，也能用10年；读/写的无限性，芯片擦写次数超过100亿次后，还能和SRAM一样读/写。

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存储器(RAM)和非易失性存储的特性。

本文介绍了FM31256的主要功能，并具体给出了基于嵌入式C语言编写的存储器读/写程序。

1FM31256的基本结构及原理FM31256由256 KB存储器和处理器配套电路（processor companion）两部分组成。

与一般的采用备份电池保存数据不同，FM31256是真正意义上的非易失（truly nonvolatile）存储器，并且用户可以选择对不同的存储区域以软件方式进行写保护。

FM31256 器件将非易失FRAM与实时时钟（RTC）、处理器监控器、非易失性事件计数器、可编程可锁定的64位ID号和通用比较器相结合。

其中，通用比较器可提前在电源故障中断(NMI)时发挥作用或实现其他用途。

采用先进的0.35 μm制造工艺，这些功能通过一个通用接口嵌入到14个引脚的SOIC封装中，从而取代系统板上的多个元件。

Ramtron 中国应用研发与推广中心FM24CL6464Kb 3V FRAM 串行存储器特性64K位非易失性铁电存储器组织结构为8,192 x 8位读/写次数无限制掉电数据保持10年写数据无延时采用先进的高可靠性的铁电制造工艺低功耗操作真正2.7V-3.6V操作电压动态工作电流 (100 kHz) 75 υΑ可编程的看门狗定时器静态电流1 υΑ快速的串行两线接口总线速度最大可达1MHz硬件上可直接取代EEPROM支持以前的时速100 kHz & 400 kHz 工业标准配置工业温度-40° C 到 +85° C 8管脚 SOIC 封装易失性存储器铁电随机存储器或是非易失性的并且可以像一样的快速读写数据在掉电后可以年并且它比易失性记忆体系统可靠性更高结构更简单功耗低等优点以总线速度执行写操作无写延时下一个总线操作可立即开始而无需数据轮询此外此产品能够EEPROM升因而它比功耗更低非易失性应用场合中非常理想举例来说数据采集的应用中系统对写周期的要求很高在苛刻的工业控制中EEPROM数据丢失FM24CL64更少的系统消耗供了极大的便利这些便利可直接替换硬件来获得使用工业标准两线接口脚表面贴片式封装操作温度范围为-+85°C图1方框图管脚描述管脚名类型管脚描述SDA I/O 串行数据/地址这个双向的引脚用来为两线接口传送地址和输入输出数据它使用一个开漏输出以便与其他器件通过线或并接在双线总线上输入缓冲区集成Schmit触发器用以提高抗干扰性能输出驱动器控制下降沿的斜率此管脚必须外加一个上拉电阻SCL输入串行时钟两线总线串行时钟输入数据在时钟下降沿移出器件而在时钟上升沿移入器件SCL也兼容一个施密特触发器以提高抗干扰性WP输入写保护当WP紧靠VDD时整个内存阵列写保护WP接地时所有地址可写此管脚内部下拉VDD 电源电源电压 2.7V-3.6VVSS电源接地NC 不连接典型系统结构存储器记位使用工业标准的两线串行接口FRAM 相似 要的差异是同样的脚位排列而前者具有更优越的写性能 字单元每个字单元为位数据位被串行移出它使用两线协议包括一个从地址区别其他非存储器或器件和一个位扩展地址地址低位用来为内存访问译码最高地址量的器件协议时间是相等的也就是说读写操作跟不同待一个就绪状态因为器件是以总线速度执行写操作也就是当一个新的总线传输将数据移入器件的同时一个写操作已经完成这将在下面的接口界面更详尽地描述 相比较由于的特性用户能获得一些明显的系统优势然而也有不明显的优点例如在高噪音环境下FM24CL64断因为它写入速度极快相反在大部分的时钟周期中要求以毫秒级EEPROM 受干扰的可能性就大得多 注意用户需要确保电源电压在数据表规定的误差范围内以防器件误操作传输规约进行双向传输这种方式脚位少占用线路板空间小图的典型配置大多数用户对工业标准的两线制总线协议已经很熟悉了但这一节仍然对其进行描述按照惯例传送数据到总线的器件是发送器而目接受数据得器件是接收器控制总线的是主机主机为所有操作产生时钟所有在总线上被控制的叫从机FM24CL64永远都是从机个脚位状态来确定的有四种状态开始结束数据和应答图介绍了四种状态的时序图详细的时序图将在电气特性中描述从低电平拉高而信号为高电平时为停止信号所有操作都应该以此信号结束如果停止信号出现操作未完成此操作中止总线不是记忆体读取以发布停止信号 从高电平到拉低而信号为高电平时为开始信号所有读写操作都开始于开始信号正停止 开始 数据位 数据位 确认主机主机发送发送接收图3 数据传输协议 这可以使最后一个传送字节在通讯错误的情况下恢复第二且最常见的是接收器有意不应答以便结束操作例如在读操作中只要接收器发出应答信号和时钟FM24CL64就会继续将数据发送到总线上读操作完成后无需更多数据接收器不应答最后传送的字节如果接收器应答了最后传送字节将会导致FM24CL64在下一个时钟来临时会试图继续驱动总线而此时主机正发送一个新的命令比如停止信号从机地址开始信号后FM24CL64所接收的第一个字节就是从机地址如图4所示从机地址包括器件类型器件选择位和读写控制位数位74是器件类型FM24CL64必须被设置为1010b 器件类型用以区分挂在两线接口上的各种功能部件数位31是器件选择位必须跟相应的外部引脚地址值相匹配以选择芯片共有8个FM24CL64芯片被置于同一两线总线上而各具有不同的地址值位0是读/写控制位A1表示读操作低电平A 0 表示写操作为一个开始信号宣布而中止开始信号中止一个操作时FM24CL64处于开始一个新的操作的就绪状态 在操作过程中当电源电压降低到规定电压VDD 最小值以下系统将优先发布一个开始信号再至执行其他操作 数据/地址 传送 所有数据传送包括地址都发生在SCL 信号为高电平时除了在上述两种情况下当SCL 为高电平时SDA 信号不能改变 应答 在任何传送中应答信号发生在第8位数据位被传送后在此状态下发送器应该释放SDA 信号以便接收器驱动接收器驱动SDA 信号到低电平来应答收到一个字节数据如果接收器没有把SDA 拉低即无应答操作中止 接收器无应答有两个明显原因首先数据传送失败无应答结束正进行的操作以便器件能被重新寻址的存储器产品相似的操作形式主要的写性能这些改进产生了在写操作上的一些差异完整的读写操作描述如下 址然后是字地址主机通过设置从机地址最低有效位LSB 为示一个写操作寻址后主机传送每一数据字节到存储器中存储器收到后发送应答任意数量的连续字节都可被写入存储器如果地址到达最后一个字节地址计数器将从000h 与其他非易失性存储技术不同实质上无写延时整个存取周期比一个总线时钟还短因此在一个写操作后可以进行任何操作包括写操作或读操作应答轮询是方法用来查询一个写操作是否完芯片内部当数据的第后写操作开始写操作在应答信号送出前完成这样如果用户需要中止一个写操作而不变更内存内容就位数据被发送前发送开始或停止信号FM24CL64页缓冲 护设置引脚为高电平写保护所有地址FM24CL64写入被保护地址的数据地址计数器成这对于来说是不需要的如果区查询那么将总是返回一个已完成信号 立的2wire ID 接口协议描述如下寄存器包含计时数据控制位或信息标志位对于每一个寄存器的具体描述总结如下表 FM24CL64作为接收器应答器件地址后主机将内存地址放到总线上预备一个写操作内存地址包含两个字节第一个字节是地址的最高有效位高字节因为器件仅使用位地址高数位被忽略紧跟高位字节的是地址的低位字节它包含余位地址地址内部锁存每次访问产生锁存地址自动递增当前地址是锁存器中锁存地址或者是最近写入的值或者是上次内存访问的地址值只要电源保持或者直到一个新的数值被写取当前地址就会被一直保留读操作总是使用当前地址写入操作来实现解释如下 每一个数据字节被传送后在应答之前FM24CL64内部地址递增这允需额外外部寻址到达最后一个地址1FFh 后地址锁存器内容将返回到0000h 读写操作的访问的字节数目是没有限制的 所有地址信息被传送后主机和行读操作时FM24CL64数据放到总线上等待应答如果应答出现开始下一个连续字节被传送如果无应答读操作退出写操作时FM24CL64据然后发出应答所有数据传送都以最高有效位在前的方式传送也不会递增设置WP 为低电平写保护无效WP 内部下拉图5和6描述的是单字节和多字节的操作图6多字节写入读操作读操作有当前地址读操作和随机地址读操作两种基本形式在当前地址读操作中FM24CL64使用内部地址锁存器的内容作为操作的低8位地址在随机地址读操作中用户执行相应操作以设置地址锁存器的值为指定值当前地址和连续地址读FM24CL64使用一个内部锁存器提供低8位地址来进行读操作当前地址读操作使用一个地址锁存器内已存在的数值作为读操作的起始地址这个地址紧跟上一个操作执行当前地址读操作时主机提供一个最低有效位置1的从机地址这表示读操作将开始接收完完整的器件地址后FM24CL64将从当前地址移出数据到下一个时钟当前地址是内部地址锁存器上的值 从当前地址开始主机能够读写任意数目的字节因此一个连续读操作实际上就是多个数据传递的当前地址读每传递一个字节内部地址计数器都会递增主机每确认一个字节FM24CL64将读取下一个连续字节有四种正确终止读操作的方式终止读操作失败将很有可能造成总线竞争此时FM24CL64总是试图读出多余的数据送到总线上四种正确操作方法如下1. 主机在第9个时钟不发应答信号在第10个时钟发出停止信号具体解释如下图这是首选方法2. 主机在第9个时钟不发应答信号在第10个时钟发开始信号3. 主机在第9个时钟发出停止信号4. 主机在第9个时钟发出开始信号如果内部地址到达1FFFh 下一个读周期将会翻转到000h图7和图8描述当前地址读的正确操作图7当前地址读图8连续地址读图9选择随机读域很明显除了一次编程应用的其他所有领域铁电记忆体在读写次数更具优势领域中 中简单介绍如下1 数据采集 在数据采集和存储领域中FRAM 的方案它比带后备电池的更节省成本并且比好的写特性2参数配置都能保持其配置参数信息但是如果配置参数需要改变或者电源有可能失效FRAM 录任何时候当系统的状态发生改变时所有变化的参数都可以被写入FRAM 这就避免了当系统掉电再记录数据时可用时间短或能源供应不足的问题 3高噪声环境据对于极具挑战性在严下易被干扰从而使写操作过程发生错误而写速度非常快可在一微秒内完成时间之短可有效避免噪声或电源波动的干扰4加快上市速度在一个复杂的系统中多个软件程序都需要例行访问非易失性记忆体在这种情况下由于EEPROM操作中必须有延时这不适当地增加了软件开发的复杂性在允许一个软件程序访问前当前的软件操作必须结束当上市时间要求很严的时候FRAM就可以排除这一障碍FM24CL64在写操作中无任何延时写操作发生时就已经完成了5RF/ID 在无接触存储领域中FRAM提供一个理想的方案因为RF/ID存储器是由RF方式供电的太长的写入时间和太大功耗使得EEPROM在这种应用场合中不可取FRAM提供一个完美的解决方案FM24CL64特别适合应用于多芯片的RF/ID产品中6保存轨迹黑匣子在一个高度复杂的系统中系统状态和操作记录在发生故障前都必须被记录当信息需要频繁记录时这种记录装置就是成为必需了由于FRAM出色的写性能可以完美的记录系统日志除此之外FM24CL64方便的两线协议可以占用最少的系统资源电性规格Ramtron 中国应用研发与推广中心Ramtron 商务中心北天星国际有限公司。

14
Flash在PIC单片机中的使用



Flash存储器成本低廉，易 于集成，但可重复读写的 次数有限，因此被用作程 序存储器。 PIC中档单片机的Flash满足 每个字的宽度为16位，程 序空间的最大长度为221 的 要求。 在地址的组织上以2K字为 一个页，不同型号的单片 机片内含有的Flash页数不 等。
9
EEPROM在PIC单片机中的使用

单片机系统，经常需要根据现场实际情况设定或调整 工作参数。存储参数的存储器必须：

第一，能够在运行条件下进行动态修改，也就是可以通过 程序读写其内容； 第二，系统掉电后，设置的内容不会丢失，否则每次开机 后这些参数需要重新设定或调整。
10
EEPROM在PIC单片机中的使用
4
常见非易失性存储器
紫外线擦除的EPROM

EPROM可以用紫外擦除工具多次修改其内 容，但使用时仍然很不方便且成本较高， 它很少用于实际产品，含有EPROM的PIC 单片机通常只在开发阶段使用。
含有EPROM的PIC单片机
5
常见非易失性存储器
一次性电可编程存储器（OTP）


OTP技术允许生产者可以通过编程器等工具对其进行一次 性的编程。这种技术采用了类似掩膜ROM的工艺，在没有 大幅度提高制造成本的同时，为单片机系统生产者生产批 量较小的新产品提供了有效的选择。 PIC单片机中中第六个字符为C字母的，其程序存储器多采 用OTP技术。
6
常见非易失性存储器
Flash


Flash技术是半导体业的一次革命，它提高了存储器的制造 密度，降低了单位成本。更为重要的是Flash技术允许使用 者通过电的方法多次擦写其内容（10,000次左右），可以 作为程序存储器。 目前大部分的单片机都采用Flash技术来

FRAM详细介绍FRAM（Ferroelectric Random Access Memory）是一种非易失性存储器，它结合了SRAM（Static Random Access Memory）和DRAM（Dynamic Random Access Memory）的优势，并且具有快速读写速度、低功耗和高可靠性等特点。

本文将详细介绍FRAM的原理、特点和应用。

一、FRAM原理FRAM是基于铁电材料的存储器，铁电材料具有非常特殊的性质，即在外界电场的作用下可以在两种极性之间切换，同时还能够保持其状态。

这种能力使得FRAM能够实现非易失性的存储功能。

FRAM的存储单元由一个铁电电容器和一个晶体管组成。

铁电电容器可以存储一个比特的数据，其极化方向表示存储的值。

通过在铁电材料上施加电场，可以改变极化方向，实现数据的写入操作。

读取数据时，通过读取电压来测量铁电电容器的极化方向，从而确定存储的值。

由于铁电材料的特性，读取操作不会改变存储的内容。

二、FRAM特点1. 快速读写速度：FRAM的读写速度非常快，可以达到亚纳秒级别，远远快于传统的Flash存储器。

这使得FRAM非常适合高速数据存储和即时写入应用。

2. 非易失性存储：FRAM的存储单元不会因为断电而丢失数据，这使得它可以用于需要长期存储数据的应用场景。

与传统的Flash存储器相比，FRAM不需要复杂的擦除操作，读写操作可以随时进行。

3.低功耗：FRAM存储器的功耗非常低，因为它不需要擦除操作，同时写操作也不需要额外的电源支持。

这使得FRAM非常适合低功耗设备，如传感器、智能卡等。

4.高可靠性：FRAM存储器具有很高的可靠性，可以实现长期的数据保存和无损的读写操作。

铁电材料的特性决定了FRAM的耐久性较高，可以承受大量的写入操作。

三、FRAM应用1.手持设备：FRAM可以用于智能手机、平板电脑等手持设备中的存储器，它可以提供快速的数据读取和写入速度，并且不会受到频繁读写操作的影响。

易失性存储器 - DRAM
2 DRAM特点
由于每个存储位仅用一个晶体 管和小电容，因此集成度比较 高。就单个芯片的存储容量而 言，DRAM可以远远超过 SRAM；就相同容量的芯片而 言，DRAM的价格也大大低于 SRAM。这两个优点使DRAM 成为计算机内存的主要角色。 DRAM的行列地址分时复用控 制和需要刷新控制，使得它比 SRAM的接口要复杂一些。另 外，DRAM的存取速度一般比 SRAM要慢。
MRAM(Magnetic Random Access Memory)是一种 非易失性的磁性随机存储器。它拥有静态随机存储器(SRAM) 的高速读取写入能力；以及动态随机存储器(DRAM)的高集成 度，而且基本上可以无限次地重复写入。
非易失性存储器 – EEPROM
3 EEPROM选型
存储容量： 1Kb-1Mb
接口： IIC；SPI；Microwire

速率： IIC:400KHz,1MHz SPI:10MHz,20MHz Microwire:1MHz,2MHz
EEPROM
电压范围： 常用(FM)1.7-5.5V;1.7-3.6V Min:1.6,1.7,1.8,2.5,2.7,3V Max:2.5,3.6,5.5,6V
1.速度较慢 2.需要刷新来保持数据 3.需要MCU带外部存储控 制器
4.容量大，16Mb-4Gb 5.集成度高，单位容量价 格低
6.运行功耗低
非易失性存储器 - ROM
非易失性存储器主要是用来存放固定数据、固件程序等一 般不需要经常改动的数据。
早先ROM OTP EPROM EEPROM Flash
速率：800/667/533/400(Mhz) 容量：建议512M-2G
速率：2133/1866/1600/1333(Mhz) 容量：建议1G-4G