记忆体是任何电子系统/应用的整合元件。记忆体可大致分成挥发性记忆体(关闭电源后资料就会流失),以及非挥发性记忆体(关闭电源后资料仍能保存)。常见的挥发性记忆体包括SRAM(静态随机存取记忆体)、DRAM(动态随机存取记忆体)等。常见的挥发性记忆体包括EEPROM、快闪记忆体等。
结合SRAM功能与非挥发性储存能力的记忆体,能在系统中发挥许多优点。现今许多应用需要快速且非挥发特性的记忆体元件。许多记忆体技术都提供这样的解决方案。其中包括NVSRAM、BBSRAM、FRAM、以及MRAM。
本文简单介绍NVSRAM的特性与工作原理,并比较NVSRAM与其他提供类似解决方案的记忆体。协助研发业者研判何种记忆体技术适合其设计专案。在详细探讨NVSRAM的技术与应用之前,本文将先快速比较目前竞争市场主流地位的技术。
主流记忆体技术介绍
NVSRAM提供非挥发性的储存能力,在电源关闭时将SRAM的内容移动至SRAM内部相对应的非挥发性储存单元。 BBSRAM(电池备份SRAM)则是在电源关闭时,切换至锂电池来保存SRAM中的资料。 FRAM(铁电随机存取记忆体)让铁电晶体中的电场维持相同的方向,借以保存资料。 MRAM(磁阻RAM)使用磁性极化技术来永久保存资料。表一是这些技术的重要参数比较。
(表一) 现有记忆体技术重要参数比较
参数 |
单位 |
NVSRAM |
BBSRAM |
FRAM |
MRAM |
效能 |
存取时间(奈秒) |
15-25 |
70-100 |
100-150 |
35 |
可靠度 |
资料保存年限 |
20 |
10 |
10 |
10 |
电流/功耗 |
在100奈秒时的运作状态(mA) |
20 |
22 |
22 |
30 |
一般待机状态(μA) |
750 |
200 |
20 |
9000 |
密度 |
现今最高密度(Mb) |
4 |
16 |
1 |
4 |
封装 |
基板需求 |
小 |
大 |
小 |
小 |
支援KGD |
支援 |
不支援 |
支援 |
|
环保 |
RoHS |
支援 |
不支持 |
支援 |
支援 |
NVSRAM技术介绍
非挥发性静态随机存取记忆体(NVSRAM)是一种高速、高效能的非挥发性记忆体,结合高速SRAM与非挥发性单元的特性。资料储存在每个SRAM单元中内建的非挥发性单元里。
NVSRAM目前有16 kbit与4Mbit等版本。这些NVRAM具备业界最快的存取速度,达15ns至45ns,支援商业与工业温度范围。 NVSRAM采用SSOP、SOIC、以及TSOP等小型化封装。
图一显示一个1Mbit NVSRAM的模块图示。如图中所示,位址线路(A0–A16)、资料线路(DQ0–DQ7)、以及控制线路(/OE、/CE与/WE)提供和高速SRAM完全相同的介面。在AutoStore自动储存作业时,Power Control电源直接模块用来侦测电源VCC的变化。 STORE/RECALL Control模块用来支援硬体储存作业,运用/HSB针脚支援RECALL作业。软体侦测模块用来支援软体的STORE与RECALL作业。
NVSRAM运作时唯一需要的外部元件就是连结至VCAP针脚的电容。这个电容在开机状态时,由电源电压来充电。这个充电程序提供AutoStore自动储存所需的能源(在关闭电源时将SRAM的资料传送到非挥发性元件)。
元件介面
NVSRAM的介面类似标准非同步SRAM,唯一的差别只有多出几个专属的针脚。在一般的读写作业方面,NVSRAM的存取方式和SRAM完全相同。三个控制讯号/CE(Chip Enable)、/OE(Output Enable)与/WE(Write Enable)和SRAM的使用方式完全相同,对元件进行读出与写入的作业。
图二为NVSRAM与SRAM在介面上的相似处。如上图所示,相较于非同步SRAM,唯一多出的针脚只有VCAP与/HSB。
元件运作
NVSRAM 内含两个功能元件,以成对的模式嵌入在同一个单元中。就是SRAM记忆体单元以及非挥发性单元。 SRAM中的资料可传送至非挥发性单元(STORE作业),或从非挥发性单元传送至SRAM(RECALL作业)。这项独特架构让所有单元能以同步模式进行储存与读取。在STORE 与RECALL作业中,SRAM的读取与写入作业都被禁止执行。 NVSRAM和典型的SRAM一样,支援无上限的读取与写入作业。此外它还提供无限制的RECALL与50万次STORE储存作业。
SRAM读取
每当/CE与/OE处在低电位,而/WE与/HSB处在高电位时,NVSRAM就会执行READ作业。系统会根据位址针脚指定的位址,进行资料存取的动作。在存取时间,系统会持续配合位址的改变,输出相对应的资料,控制输入的针脚不必进行转换,直到/CE或/OE切换至高电位,或/WE与/HSB切换至低电位为止。
SRAM写入
每当/CE与/WE处在低电位,且/HSB处在高电位时,就会执行WRITE写入作业。输入的位址必须保持稳定,系统才能进行WRITE写入作业,直到周期结束/CE或/WE切换至高电位为止。
STORE作业
SRAM的资料可透过以下三种储存作业,储存至非挥发性元件。这些作业包括:
- (1)AutoStart自动储存,在元件关闭电源时进行;
- (2)硬体储存,由/USB启动;
- (3)软体储存,由定址程序启动。
自动储存作业
AutoStore自动储存作业是NVRAM的一项独特功能,元件在预设模式下就能执行这项功能。
在正常作业时,元件会从VCC撷取所需的电流,并对连结至VCAP针脚的电流进行充电。储存的电荷会用来让晶片执行一次STORE储存作业。若VCC针脚的电压下降到不足以让元件进行作业时,元件就会自动切断VCAP针脚与VCC的连结。此时VCAP电容提供的电源,会用来启动STORE储存作业。 AutoStore作业会在12.5ms(最大值)内完成。
硬体储存作业
NVSRAM让/HSB针脚能控制与感测STORE储存作业。 /HSB针脚可用来要求硬体STORE储存作业。当/HSB针脚处在低电位时,NVSRAM会启动一个储存程序。在最后一次STORE或RECALL程序之后,只有当WRITE写入SRAM作业开始时,才会进行实际的储存程序。 /HSB针脚也扮演一个开放汲极趋动器,在进行储存(由任何方式启动)程序时,由低电位状态从内部趋动。
在任何储存作业时,不论如何启动,NVSRAM会持续将/HSB针脚切换至低电位,只有在储存作业完成后才会释出。
软体储存作业
系统可透过软体定址程序,把资料从SRAM传送至非挥发性记忆体。 NVSRAM的软体储存程序是由执行/CE控制的读取作业来启动,按次序从六个指定位址来执行。在储存作业时,曾先删除前一个非挥发性记忆体内的资料,之后再从非挥发性元件执行一个程式。当启动储存作业时,会暂时中止输入与输出的作业,直到完成整个程序为止。
RECALL读回作业
备份在非挥发性元件中的资料,可利用两种RECALL作业,传送到SRAM记忆体。
- (1)Auto RECALL自动读回,在启动电源时执行;
- (2)Software RECALL软体读回,由一个定址程序来启动。
自动读回(启动电源时的读回)作业
在启动电源时,或在任何低电位状态,会启动内部读回要求。当VCC再次超过最低运作电压时,系统就会自动启动一个读回程序。
软体读回程序
系统可透过一个软体定址程序,把资料从非挥发性记忆体传送到SRAM。软体读回程序是透过一个读取作业来启动,其模式类似软体储存启动作业。
过程(连结至非挥发性元件的储存程序次数)
NVSRAM的SRAM元件提供无上限的读取与写入周期。 NVSRAM并能保证非挥发性元件最少能执行50万次的储存程序。
资料保存
NVSRAM的非挥发性元件能保存资料20年以上。
锁定的应用
- (1)磁碟阵列控制器;
- (2)行动资料终端装置
- (3)端点销售系统
- (4)印表机/影印机
- (5)电表/水电能源仪表
- (6)工业自动化(远端终端设备)
- (7)仪表板/组合式仪表
- (8)单机版电脑
- (9)路由器
- (10)WAN介面卡
以下举一个应用例子,介绍NVSRAM提供的效能优势。
工业自动化(RTUs)
发电厂、水资源管理站、炼油厂、与其他工业厂房,都含有大量的机具,遍布在大面积的厂区。
远端终端设备(图三),或RTU(图四),会遍置于厂区各处,建构出SCADA监控与资料撷取系统。 RTU的目的是量测像是压力、流量、电压、或电流等数据。例如,若应用在水资源管理站,RTU模组可量测水槽的水量,根据水量决定要注水或排水。也可设定警讯值,在超出警戒值时向主站台送出警讯。
RTU是采用CPU基础的模组,需要快闪与SRAM记忆体来进行一般的处理作业。这些模组也使用内建的即时时脉与监控元件来追踪即时事件。例如,当水槽必须储存超出设定值的水量连续三小时,监控计时器可用来向管理人员发出提醒的警讯。
在标准SRAM中运用Cypress nvSRAM解决方案,搭配即时时脉与监控计时器。这样的设计就不需要额外的元件,系统不仅能节省电路板空间,还能降低材料清单成本。此外,这些模组可应用在各种极严苛的环境。 Cypress的nvSRAM 具备优异的抗ESD(静电放电)能力,能在摄氏零下40度至摄氏85度的环境中使用。
---作者S. Vinayaka Babu为Cypress赛普拉斯记忆体与成像部门产品行销工程师;Pramodh Prakash为赛普拉斯记忆体与成像部门应用工程师---