可穿戴電子應(yīng)用的FRAM

　　引言：

　　FRAM存儲(chǔ)器可為可穿戴電子產(chǎn)品帶來低功耗、小尺寸、高耐用性與低成本。

　　正文：

　　鐵電RAM(FRAM)存儲(chǔ)器廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化、關(guān)鍵任務(wù)空間應(yīng)用、高可靠軍事以及各種汽車應(yīng)用。使FRAM適用于這些應(yīng)用的特征也使之成了可穿戴應(yīng)用的可行技術(shù)，因?yàn)镕RAM技術(shù)與生俱來的附加屬性包括低功耗與高耐用性。

　　電子可穿戴設(shè)計(jì)的一個(gè)主要注意事項(xiàng)是在提升可靠性的同時(shí)降低總體功耗。設(shè)計(jì)人員必須在增加功能的同時(shí)降低系統(tǒng)功耗，以便延長(zhǎng)電池使用壽命。與此同時(shí)，嵌入式軟件的大小和復(fù)雜性也在不斷提升，不僅需要更大的存儲(chǔ)器，而且還必須進(jìn)一步增大功耗預(yù)算。

　　當(dāng)前MCU大多數(shù)配備兩種普通存儲(chǔ)器：閃存和SRAM。閃存速度相對(duì)較慢，而且支持有限數(shù)量的寫入周期。但它是非易失性的，因此可用于保存應(yīng)用代碼等變化緩慢的數(shù)據(jù)。相比之下，SRAM速度快，而且具有無限的寫入周期耐用性。但它是易失性的，只能保存臨時(shí)數(shù)據(jù)。

　　設(shè)計(jì)人員選擇MCU所面臨的復(fù)雜性包括準(zhǔn)確判斷應(yīng)用所需的閃存和SRAM大小。隨著系統(tǒng)復(fù)雜程度的提高，設(shè)計(jì)人員需要采用外部存儲(chǔ)器，往往首先想到的選項(xiàng)是添加更多閃存或一個(gè)EEPROM，一般很難想到添加外部SRAM。

　　能耗、尺寸、高耐用性和成本都是重要的設(shè)計(jì)參數(shù)：

　　對(duì)數(shù)據(jù)同化的高要求正在推動(dòng)對(duì)存儲(chǔ)器要求的提高

　　存儲(chǔ)器正日漸成為組件選擇和物料清單(BOM)的重要組成部分

　　延長(zhǎng)電池使用壽命和縮短充電時(shí)間現(xiàn)已成為市場(chǎng)重要的差異化參量。

　　一般在代碼高度復(fù)雜、需要執(zhí)行多重?cái)?shù)學(xué)函數(shù)的情況下，設(shè)計(jì)會(huì)變得更加復(fù)雜，這時(shí)設(shè)計(jì)人員會(huì)考慮增加片上資源，使用外部存儲(chǔ)器。低功耗外部并行接口存儲(chǔ)器可能會(huì)是符合邏輯的首選項(xiàng)，一般是支持極低工作電流并在理想情況下支持零待機(jī)電流的SRAM類存儲(chǔ)器。

　　此外，并行接口FRAM也可用于此類應(yīng)用。FRAM不僅具有高達(dá)4Mb的密度，而且還可在極低讀寫工作電流下提供高速性能(90nS訪問時(shí)間)。FRAM天生是非易失性的，因此它們可在未使用時(shí)或是MCU進(jìn)入睡眠模式時(shí)執(zhí)行電源門控(關(guān)閉)。

　　并行易失性/非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)比較：

　　一般使用串行閃存實(shí)施的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)也會(huì)出現(xiàn)相似的問題。閃存單位Mbit成本低，提供較大的存儲(chǔ)密度，因此是廣泛使用的存儲(chǔ)器。但閃存的缺點(diǎn)是寫入時(shí)能耗較大，耗盡電池的速度較快。許多開發(fā)人員試圖分區(qū)閃存并使用能耗較低的EEPROM(即很少寫入閃存，將EERPOM作為前端用于大量寫入)。EERPOM的待機(jī)模式和工作模式所消耗的電流都低于閃存。

　　這種情況的另一種方法是使用支持尋址功能、高速(40MHz SPI)、低工作功耗(一般低于 100uA/MHz)以及4Mb存儲(chǔ)密度的外部串行接口FRAM。

　　串行非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)比較：

　　串行FRAM與MRAM、EEPROM及基于閃存的存儲(chǔ)器相比，具有兩大優(yōu)勢(shì)。首先寫入FRAM的能耗與其它非易失性存儲(chǔ)器相比要低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。其次是其寫入耐用性近似于無限。更便于做決定的是FRAM的封裝一般與EEPROM及閃存相似。

　　不同技術(shù)間的寫入耐用性比較

　　可穿戴電子設(shè)備試圖通過節(jié)能來最大限度地延長(zhǎng)電池使用壽命。此類應(yīng)用依靠微弱突發(fā)能量在短時(shí)段內(nèi)提供電源。因此在斷電之前MCU能夠執(zhí)行的代碼行數(shù)量極為有限?；陂W存的應(yīng)用具有極高的電源代價(jià)，不僅是因?yàn)樵L問閃存時(shí)平均功耗較高，而且還因?yàn)樵陂W存寫入事件中峰值功耗較高。這種峰值功耗主要是因?yàn)槭褂贸潆姳?，電流值可達(dá)7mA，這使得可穿戴電子產(chǎn)品無法進(jìn)行非易失性寫入。有了FRAM，就沒有了充電泵，因此就不存在大電流寫入。寫入FRAM和從FRAM讀取(或者執(zhí)行FRAM)的平均功耗相同。這排除了非易失性寫入的功耗障礙，因此FRAM是節(jié)電應(yīng)用的真正高靈活選項(xiàng)。

　　在單個(gè)一體化存儲(chǔ)器中完美整合RAM與ROM功能：

　　從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的設(shè)計(jì)人員一般根據(jù)需要存儲(chǔ)的內(nèi)容選擇存儲(chǔ)器?？蓤?zhí)行代碼通常存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中，而數(shù)據(jù)則存儲(chǔ)在易失性存儲(chǔ)器中(除存檔目的外)。但對(duì)大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)而言，存儲(chǔ)器技術(shù)與應(yīng)用混合的傳統(tǒng)做法仍然有效。

　　存儲(chǔ)器技術(shù)應(yīng)用一般分為可執(zhí)行代碼任務(wù)與數(shù)據(jù)任務(wù)。掩膜ROM、OTP-EPROM和NOR閃存等基于ROM的技術(shù)屬于非易失性，因此適合代碼存儲(chǔ)應(yīng)用。

　　包括NAND閃存和EEPROM在內(nèi)的其它ROM派生技術(shù)可用作非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。這些必須進(jìn)行利弊權(quán)衡，因?yàn)橥瑫r(shí)進(jìn)行代碼及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，與其它技術(shù)相比性能不佳。閃存用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的最大優(yōu)勢(shì)是低成本，而不是易用性或高性能。

　　SRAM等基于RAM的技術(shù)既可用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，也可在閃存緩慢時(shí)用作代碼執(zhí)行工作空間。RAM可實(shí)現(xiàn)代碼及數(shù)據(jù)功能性的完美結(jié)合，但普通RAM只能提供臨時(shí)存儲(chǔ)。

　　空間有限的應(yīng)用要求以少量器件實(shí)現(xiàn)最大功能性。即便在具有足夠電路板空間的應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員也未必愿意在系統(tǒng)中使用三種不同類型的存儲(chǔ)器。在理想情況下，單項(xiàng)存儲(chǔ)器技術(shù)就可同時(shí)滿足代碼與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。它必須是非易失性的，因此普通RAM不在考慮之列。這就只剩下數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)性能欠佳的ROM系列技術(shù)、不可取的電池供電SRAM和鐵電RAM(FRAM)了。

　　FRAM可降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)效率，降低復(fù)雜性，而功耗則明顯低于閃存、EEPROM、SRAM以及其它可比技術(shù)。如果基于閃存/EEPROM的現(xiàn)有應(yīng)用具有能源、寫入速度、耐用性或掉電備份限制，就可轉(zhuǎn)而使用FRAM。

　　參考資料：

　　2Mb FRAM產(chǎn)品說明書：http://www.cypress.com/?rID=73536

　　FRAM SPI應(yīng)用指南：http://www.cypress.com/?rID=82691

　　FRAM SPI讀寫，重啟過程中的數(shù)據(jù)保護(hù)：http://www.cypress.com/?rID=81967

　　FRAM技術(shù)簡(jiǎn)介：http://www.cypress.com/?rID=83088

　　FRAM耐用性：http://www.cypress.com/?rID=83086