非易失性铁电存储器(FRAM)芯片.pdf

地址：宝安南路 3083 号蔡屋围发展大厦 2403 室 ADD：Unit 2403.Caiwuwei Development Building Nr.3083,Baoan South road.Shenzhen.China 电话(Tel)：+86-755-82127888 传真(Fax)：+86-755-82124865 邮政编码：518008 116Kbit 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。EPROMEEPROM 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 20488 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；地址：宝安南路 3083 号蔡屋围发展大厦 2403室 ADD：Unit 2403 Caiwuwei Development Building Nr.3083,Baoan South road.Shenzhen.China 电话(Tel)：+86-755-82127888 传真(Fax)：+86-755-82124865 邮政编码：518008 2 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 10A；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。/CS VCC SO /HOLD /WP SCK 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 指令译码 时钟发生器 控制逻辑 写保护/CS SCK/HOLD/WP 指令寄存器 地址寄存计数器 SI VCC VSS 51232 铁电晶体阵列 数据 I/O 寄存器 非易失状态寄存器 SO 11 1 8 2 7 3 6 4 5 地址：宝安南路 3083 号蔡屋围发展大厦 2403室 ADD：Unit 2403.Caiwuwei Development Building Nr.3083,Baoan South road.Shenzhen.China 电话(Tel)：+86-755-82127888 传真(Fax)：+86-755-82124865 邮政编码：518008 33/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 20488 位，地址范围为000H7FFH，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7 6 5 4 3 2 1 0/CS SCK SI MSB LSB 7 6 5 4 3 2 1 0/CS SCK SI MSB LSB 地址：宝安南路 3083 号蔡屋围发展大厦 2403 室 ADD：Unit 2403.Caiwuwei Development Building Nr.3083,Baoan South road.Shenzhen.China 电话(Tel)：+86-755-82127888 传真(Fax)：+86-755-82124865 邮政编码：518008 4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 46 恒为“0”，WPENBP1 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 600H7FFH（上部 1/4）1 0 400H7FFH（上部 1/2）1 1 000H7FFH（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 地址：宝安南路 3083 号蔡屋围发展大厦 2403室 ADD：Unit 2403.Caiwuwei Development Building Nr.3083,Baoan South road.Shenzhen.China 电话(Tel)：+86-755-82127888 传真(Fax)：+86-755-82124865 邮政编码：518008 5WRITE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400H7FFH地址范围存放控制系统的重要参数，而将其余的000H3FFH留给用户使用。AT89C51 FM25C160 图 5 AT89C51 与 FM25C160 的接口电路图 N Y P1.0 P1.1 P1.2 SCK SI /HOLDSO/CS /WPVCC 入口 WREN 指令 WRITE 指令 FM25C160 存放数据首址 400H 数据传送 传送完毕？WRSR 指令 地址：宝安南路 3083 号蔡屋围发展大厦 2403 室 ADD：Unit 2403.Caiwuwei Development Building Nr.3083,Baoan South road.Shenzhen.China 电话(Tel)：+86-755-82127888 传真(Fax)：+86-755-82124865 邮政编码：518008 6 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 2FM25C160 Data SheetRamtron International Corporation2001 3FRAM铁电存储器技术原理深圳市华胄科技有限公司 写入状态寄存器的数据 结束