使用微控制器 （MCU） 的設(shè)計(jì)人員已經(jīng)開始嚴(yán)重依賴閃存來存儲(chǔ)代碼，因?yàn)?IC 制造商已經(jīng)擴(kuò)展了非易失性存儲(chǔ)器的制造工藝，并且正在 MCU IC 上生產(chǎn)相當(dāng)大的閃存陣列。盡管如此，閃存仍遠(yuǎn)非完美，其他非易失性存儲(chǔ)器類型，如鐵電 RAM （FRAM），提供優(yōu)于閃存的優(yōu)勢(shì)，包括低功耗操作、類似 DRAM 的每位訪問和更快的訪問時(shí)間。盡管 FRAM 成本較高且容量與閃存不匹配，但當(dāng)?shù)凸暮透咝阅苁顷P(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素時(shí)，您最好考慮 FRAM 技術(shù)。

　　首先讓我們簡(jiǎn)要回顧一下 FRAM 的工作原理。FRAM 存儲(chǔ)單元的構(gòu)造與 DRAM 單元類似，每個(gè)位使用一個(gè)電容器和一個(gè)晶體管。然而，F(xiàn)RAM 單元需要一種鐵電材料，該材料基本上可以存儲(chǔ)極性狀態(tài)，并且不需要刷新或電源來維持內(nèi)容。迄今為止，由于多種原因，半導(dǎo)體制造商無法將 FRAM 擴(kuò)展到 DRAM 和閃存所達(dá)到的水平。鐵電材料是一種添加材料，在半導(dǎo)體制造過程中可能會(huì)出現(xiàn)問題。隨著材料尺寸的減小，此類材料會(huì)失去鐵電特性，因?yàn)檩^小的單元特征尺寸對(duì)于縮放到更高的密度很重要。

　　既然我們從不利因素開始，您可能會(huì)問為什么要使用 FRAM？答案是，除了制造問題之外，F(xiàn)RAM 在幾乎所有方面都優(yōu)于閃存。閃存在寫入過程中需要高電壓。該電壓會(huì)影響歸因于內(nèi)存的功耗，并且還會(huì)導(dǎo)致較長(zhǎng)的寫入周期。FRAM 支持類似 DRAM 的訪問時(shí)間和低功耗，并且不受重寫周期數(shù)的限制。

　　其他閃存限制

　　Flash 也可能是程序員的后勤難題。您不能只重寫閃存中的值。您通常必須將新值寫入新閃存塊中的某個(gè)位置，并在某個(gè)時(shí)候返回并擦除舊塊以供重用——當(dāng)然，在處理將所有重要數(shù)據(jù)從舊塊移動(dòng)到新區(qū)塊。大多數(shù) MCU 制造商都包含代碼庫(kù)來處理內(nèi)務(wù)。盡管如此，就代碼大小而言，閃存處理本質(zhì)上是低效的。

　　FRAM 可以按位讀取或?qū)懭?。使?FRAM 陣列的程序員不必?fù)?dān)心單獨(dú)的代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。程序員可以使用通用內(nèi)存映射，甚至可以根據(jù)應(yīng)用程序的需要?jiǎng)討B(tài)地將內(nèi)存部分分配給代碼或數(shù)據(jù)。

　　如果 FRAM 密度可以接近閃存的成本或密度，我們可能會(huì)在一夜之間看到向 FRAM 的廣泛遷移。相反，您需要確保了解 FRAM 中當(dāng)前最先進(jìn)的技術(shù)，并根據(jù)應(yīng)用需要進(jìn)行部署。

　　今天，您可以通過兩種方式利用 FRAM 的優(yōu)勢(shì)。包括富士通半導(dǎo)體和 Ramtron 在內(nèi)的公司生產(chǎn)的專用 FRAM IC 可以與基于閃存等不同存儲(chǔ)技術(shù)的 MCU 結(jié)合使用。與此同時(shí)，德州儀器（TI）在一些 16 位 MCU 上集成了 FRAM。

　　FRAM 存儲(chǔ)器 IC

　　讓我們首先檢查存儲(chǔ)器 IC。富士通的產(chǎn)品線在MB85R1002ANC-GE1中突破了 1 Mbit 的容量IC，配置為 64k x 16，MB85R1001ANC-GE1配置為 128k x 8。這些 IC 支持 150 ns 訪問時(shí)間。與 MCU 的接口是通過一個(gè)字節(jié)寬的并行連接。

　　富士通還提供了幾種通過串行接口連接到 MCU 的 FRAM IC，從而最大限度地減少了存儲(chǔ)器連接所需的引腳數(shù)。對(duì)于串行外圍接口 （SPI） 鏈路，富士通在MB85RS256APNF-G-JNE1 IC 中提供最大容量為 256 kbits，配置為 32k x 8。SPI 接口以最高 25 MHz 運(yùn)行，設(shè)置有效訪問時(shí)間。在以 400 kHz 運(yùn)行的MB85RC128PNF-G-JNE1中，基于 I2C 的 FRAM 最高為 128 kbits，配置為 16k x 8 。

　　Ramtron 提供更高容量的 FRAM IC，同時(shí)具有更快的訪問時(shí)間。例如FM23MLD16-60-BGTR存儲(chǔ)8Mbits，配置512k x 16。IC采用并聯(lián)，支持60ns的訪問速度。SPI 產(chǎn)品在具有 40-MHz 接口的FM25V20-DGTR中最高可達(dá) 2 Mbits?；蛘撸梢允褂?3.4-MHz I2C 連接到 1-Mbit FM24V10-GTR。

　　將上述 FRAM IC 之一添加到 MCU 可以提供更高的系統(tǒng)級(jí)性能和更簡(jiǎn)單的編程模型。此外，雖然您將 IC 添加到物料清單中，但與使用片上存儲(chǔ)器的 MCU 實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)相比，您仍可能實(shí)現(xiàn)更低的系統(tǒng)功耗。您可以選擇具有小型片上閃存陣列的 MCU，并依靠 FRAM 存儲(chǔ)器進(jìn)行大部分操作 - 消除對(duì)閃存的耗電寫入。

　　FRAM MCU

　　現(xiàn)在讓我們討論具有集成 FRAM 陣列的 MCU。這樣做可以讓您更好地了解低功耗優(yōu)勢(shì)，并設(shè)定您對(duì)當(dāng)今使用有限片上 FRAM 的此類產(chǎn)品可以攻擊的應(yīng)用程序的復(fù)雜程度的預(yù)期水平。TI 在其MSP430

　　的一小部分上集成了 FRAM基于 16 位內(nèi)核的 MCU 系列。TI 吹捧該器件能夠滿足類似 8 位的成本和低功耗要求。MSP430FR57xx FRAM MCU（圖 1）的最高 FRAM 為 128 kb，配置為 16k x 8。與 MCU 一樣，具有多種 I/O 功能和集成外設(shè)的 128 kb 產(chǎn)品有許多選項(xiàng)。

　　圖 1：MSP430FR57xx FRAM MCU 集成了多達(dá) 128 kb 的非易失性存儲(chǔ)器，該系列成員包括各種外設(shè)配置，包括集成多達(dá) 14 個(gè)通道的 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器。

　　TI 提供額定時(shí)鐘速度為 8 和 24 MHz 的 MCU，最多具有 32 條 I/O 線。部分產(chǎn)品包括 A/D 轉(zhuǎn)換器，其MSP430FR5739IRHAR最高可達(dá)到 14 個(gè) 10 位通道。通常，該子系列中的所有 MCU 都包括 PWM、上電復(fù)位和看門狗定時(shí)器外設(shè)，接口的補(bǔ)充包括 SPI、I2C 和 UART。

　　FRAM 的真正優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在有功功耗規(guī)格中。FRAM 系列的功耗為 82 μA/MHz。許多基于 MSP430 閃存的產(chǎn)品在活動(dòng)模式下使用的功率要高出兩到三倍。公平地說，專用低壓閃光燈系列的功耗降低了 50%，盡管這些產(chǎn)品的工作頻率僅限于 4 MHz。

　　在您閱讀本文時(shí)，TI 很可能已經(jīng)可以購(gòu)買其下一代 MSP430FR58xx 產(chǎn)品。這些產(chǎn)品將提供與現(xiàn)有基于 FRAM 的 MCU 類似的有功功率規(guī)格，但將添加與 FRAM 無關(guān)的元素，從而進(jìn)一步降低待機(jī)功率。

　　評(píng)估套件

　　如果您不熟悉 FRAM 并想要評(píng)估該技術(shù)，TI 有幾個(gè)套件可能會(huì)感興趣。MSP-EXP430FR5739 FRAM 實(shí)驗(yàn)板（圖 2）包括一個(gè)具有 128 kb FRAM 的 MSP430FR5739 MCU 。圖 2 中所示的電路板具有許多外設(shè)，例如加速度計(jì)和熱敏電阻，這些外設(shè)可能在典型應(yīng)用中很有用。

　　圖 2：MSP-EXP430FR5739 FRAM 實(shí)驗(yàn)板包括一個(gè)三軸加速度計(jì)、一個(gè)熱敏電阻、LED、開關(guān)和一個(gè)用于面向連接的子卡的擴(kuò)展連接器。

　　MSP- FET430U40A工具套件包包括一個(gè)閃存仿真器和編程器，具有諷刺意味的是，它不需要與雙板載 MSP430FR5739 MCU 一起使用。但是，flash 工具還包括一個(gè) USB 調(diào)試接口，可以方便地進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。同時(shí)，CC3000 Wi-Fi FRAM 模塊是實(shí)驗(yàn)套件中的板和通過夾層連接器安裝的 Wi-Fi 模塊的組合。

　　如果您對(duì)閃存的其他替代品感興趣，您可能還想研究磁阻 RAM （ MRAM ），它提供與 FRAM 類似的好處。目前還沒有人提供具有集成 MRAM 的 MCU，但Everspin Technologies提供容量高達(dá) 16 Mbits 的專用 MRAM IC。

　　結(jié)論

　　Flash 一直是并將繼續(xù)成為廣泛應(yīng)用領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)，特別是考慮到它以低成本制造的令人難以置信的密度。這并不意味著閃存總是正確的選擇。您可能會(huì)發(fā)現(xiàn) FRAM 可以降低系統(tǒng)功耗并提高性能，甚至可能在某些應(yīng)用中降低系統(tǒng)成本。消除閃存內(nèi)務(wù)工作會(huì)導(dǎo)致代碼更簡(jiǎn)單，并且您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)您的應(yīng)用程序適合使用 FRAM 的更小的內(nèi)存占用空間。