沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节 铁电存储器原理及应用比较 铁电存储器原理及应用比较 作者：空军雷达学院 孙树印摘 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 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 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1沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节 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 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Ramtron2沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节 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 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； 3沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节 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～FFFFH8051 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： 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。