記憶體是任何電子系統/應用的整合元件。記憶體可大致分成揮發性記憶體（關閉電源後資料就會流失），以及非揮發性記憶體（關閉電源後資料仍能保存）。常見的揮發性記憶體包括SRAM（靜態隨機存取記憶體）、DRAM（動態隨機存取記憶體）等。常見的揮發性記憶體包括EEPROM、快閃記憶體等。

結合SRAM功能與非揮發性儲存能力的記憶體，能在系統中發揮許多優點。現今許多應用需要快速且非揮發特性的記憶體元件。許多記憶體技術都提供這樣的解決方案。其中包括NVSRAM、BBSRAM、FRAM、以及MRAM。

本文簡單介紹NVSRAM的特性與工作原理，並比較NVSRAM與其他提供類似解決方案的記憶體。協助研發業者研判何種記憶體技術適合其設計專案。在詳細探討NVSRAM的技術與應用之前，本文將先快速比較目前競爭市場主流地位的技術。

主流記憶體技術介紹

NVSRAM提供非揮發性的儲存能力，在電源關閉時將SRAM的內容移動至SRAM內部相對應的非揮發性儲存單元。BBSRAM（電池備份SRAM）則是在電源關閉時，切換至鋰電池來保存SRAM中的資料。FRAM（鐵電隨機存取記憶體）讓鐵電晶體中的電場維持相同的方向，藉以保存資料。MRAM（磁阻RAM）使用磁性極化技術來永久保存資料。表一是這些技術的重要參數比較。

NVSRAM技術介紹

非揮發性靜態隨機存取記憶體（NVSRAM）是一種高速、高效能的非揮發性記憶體，結合高速SRAM與非揮發性單元的特性。資料儲存在每個SRAM單元中內建的非揮發性單元裡。

NVSRAM目前有16kbit與4Mbit等版本。這些NVSRAM具備業界最快的存取速度，達15ns至45ns，支援商業與工業溫度範圍。NVSRAM採用SSOP、SOIC、以及TSOP等小型化封裝。

《圖一　NVSRAM模塊圖表》

圖一顯示一個1Mbit NVSRAM的模塊圖示。如圖中所示，位址線路（A0–A16）、資料線路（DQ0–DQ7）、以及控制線路（/OE、/CE與/WE）提供和高速SRAM完全相同的介面。在AutoStore自動儲存作業時，Power Control電源直接模塊用來偵測電源VCC的變化。STORE/RECALL Control模塊用來支援硬體儲存作業，運用/HSB針腳支援RECALL作業。軟體偵測模塊用來支援軟體的STORE與RECALL作業。

　　NVSRAM運作時唯一需要的外部元件就是連結至VCAP針腳的電容。這個電容在開機狀態時，由電源電壓來充電。這個充電程序提供AutoStore自動儲存所需的能源（在關閉電源時將SRAM的資料傳送到非揮發性元件）。

元件介面

NVSRAM的介面類似標準非同步SRAM，唯一的差別只有多出幾個專屬的針腳。在一般的讀寫作業方面，NVSRAM的存取方式和SRAM完全相同。三個控制訊號/CE（Chip Enable）、/OE（Output Enable）與/WE（Write Enable）和SRAM的使用方式完全相同，對元件進行讀出與寫入的作業。

《圖二　NVSRAM與SRAM介面的比較》

圖二為NVSRAM與SRAM在介面上的相似處。如上圖所示，相較於非同步SRAM，唯一多出的針腳只有VCAP與/HSB。

元件運作

NVSRAM 內含兩個功能元件，以成對的模式嵌入在同一個單元中。就是SRAM記憶體單元以及非揮發性單元。SRAM中的資料可傳送至非揮發性單元（STORE作業），或從非揮發性單元傳送至SRAM（RECALL作業）。這項獨特架構讓所有單元能以同步模式進行儲存與讀取。在STORE 與RECALL作業中，SRAM的讀取與寫入作業都被禁止執行。NVSRAM和典型的SRAM一樣，支援無上限的讀取與寫入作業。此外它還提供無限制的RECALL與50萬次STORE儲存作業。

SRAM讀取

每當/CE與/OE處在低電位，而/WE與/HSB處在高電位時，NVSRAM就會執行READ作業。系統會根據位址針腳指定的位址，進行資料存取的動作。在存取時間，系統會持續配合位址的改變，輸出相對應的資料，控制輸入的針腳不必進行轉換，直到/CE或/OE切換至高電位，或/WE與/HSB切換至低電位為止。

SRAM寫入

每當/CE與/WE處在低電位，且/HSB處在高電位時，就會執行WRITE寫入作業。輸入的位址必須保持穩定，系統才能進行WRITE寫入作業，直到週期結束/CE或/WE切換至高電位為止。

STORE作業

SRAM的資料可透過以下三種儲存作業，儲存至非揮發性元件。這些作業包括：

自動儲存作業

AutoStore自動儲存作業是NVSRAM的一項獨特功能，元件在預設模式下就能執行這項功能。

在正常作業時，元件會從VCC擷取所需的電流，並對連結至VCAP針腳的電流進行充電。儲存的電荷會用來讓晶片執行一次STORE儲存作業。若VCC針腳的電壓下降到不足以讓元件進行作業時，元件就會自動切斷VCAP針腳與VCC的連結。此時VCAP電容提供的電源，會用來啟動STORE儲存作業。AutoStore作業會在12.5ms（最大值）內完成。

硬體儲存作業

NVSRAM讓/HSB針腳能控制與感測STORE儲存作業。/HSB針腳可用來要求硬體STORE儲存作業。當/HSB針腳處在低電位時，NVSRAM會啟動一個儲存程序。在最後一次STORE或RECALL程序之後，只有當WRITE寫入SRAM作業開始時，才會進行實際的儲存程序。/HSB針腳也扮演一個開放汲極趨動器，在進行儲存（由任何方式啟動）程序時，由低電位狀態從內部趨動。

　　在任何儲存作業時，不論如何啟動，NVSRAM會持續將/HSB針腳切換至低電位，只有在儲存作業完成後才會釋出。

軟體儲存作業

系統可透過軟體定址程序，把資料從SRAM傳送至非揮發性記憶體。NVSRAM的軟體儲存程序是由執行/CE控制的讀取作業來啟動，按次序從六個指定位址來執行。在儲存作業時，曾先刪除前一個非揮發性記憶體內的資料，之後再從非揮發性元件執行一個程式。當啟動儲存作業時，會暫時中止輸入與輸出的作業，直到完成整個程序為止。

RECALL讀回作業

備份在非揮發性元件中的資料，可利用兩種RECALL作業，傳送到SRAM記憶體。

自動讀回（啟動電源時的讀回）作業

在啟動電源時，或在任何低電位狀態，會啟動內部讀回要求。當VCC再次超過最低運作電壓時，系統就會自動啟動一個讀回程序。

軟體讀回程序

系統可透過一個軟體定址程序，把資料從非揮發性記憶體傳送到SRAM。軟體讀回程序是透過一個讀取作業來啟動，其模式類似軟體儲存啟動作業。

過程（連結至非揮發性元件的儲存程序次數）

NVSRAM的SRAM元件提供無上限的讀取與寫入週期。NVSRAM並能保證非揮發性元件最少能執行50萬次的儲存程序。

資料保存

NVSRAM的非揮發性元件能保存資料20年以上。

鎖定的應用

以下舉一個應用例子，介紹NVSRAM提供的效能優勢。

《圖三　遠端終端設備》

工業自動化（RTUs）

發電廠、水資源管理站、煉油廠、與其他工業廠房，都含有大量的機具，遍佈在大面積的廠區。

　　遠端終端設備（圖三），或RTU（圖四），會遍置於廠區各處，建構出SCADA監控與資料擷取系統。RTU的目的是量測像是壓力、流量、電壓、或電流等數據。例如，若應用在水資源管理站，RTU模組可量測水槽的水量，根據水量決定要注水或排水。也可設定警訊值，在超出警戒值時向主站台送出警訊。

《圖四　RTU模組》

RTU是採用CPU基礎的模組，需要快閃與SRAM記憶體來進行一般的處理作業。這些模組也使用內建的即時時脈與監控元件來追蹤即時事件。例如，當水槽必須儲存超出設定值的水量連續三小時，監控計時器可用來向管理人員發出提醒的警訊。

在標準SRAM中運用Cypress nvSRAM解決方案，搭配即時時脈與監控計時器。這樣的設計就不需要額外的元件，系統不僅能節省電路板空間，還能降低材料清單成本。此外，這些模組可應用在各種極嚴苛的環境。Cypress的nvSRAM 具備優異的抗ESD（靜電放電）能力，能在攝氏零下40度至攝氏85度的環境中使用。

---作者S. Vinayaka Babu為Cypress賽普拉斯記憶體與成像部門產品行銷工程師；Pramodh Prakash為賽普拉斯記憶體與成像部門應用工程師---