可穿戴電子應用的FRAM

　　引言：

　　FRAM存儲器可為可穿戴電子產品帶來低功耗、小尺寸、高耐用性與低成本。

　　正文：

　　鐵電RAM(FRAM)存儲器廣泛應用于工業控制系統、工業自動化、關鍵任務空間應用、高可靠軍事以及各種汽車應用。使FRAM適用于這些應用的特征也使之成了可穿戴應用的可行技術，因為FRAM技術與生俱來的附加屬性包括低功耗與高耐用性。

　　電子可穿戴設計的一個主要注意事項是在提升可靠性的同時降低總體功耗。設計人員必須在增加功能的同時降低系統功耗，以便延長電池使用壽命。與此同時，嵌入式軟件的大小和復雜性也在不斷提升，不僅需要更大的存儲器，而且還必須進一步增大功耗預算。

　　當前MCU大多數配備兩種普通存儲器：閃存和SRAM。閃存速度相對較慢，而且支持有限數量的寫入周期。但它是非易失性的，因此可用于保存應用代碼等變化緩慢的數據。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，只能保存臨時數據。

　　設計人員選擇MCU所面臨的復雜性包括準確判斷應用所需的閃存和SRAM大小。隨著系統復雜程度的提高，設計人員需要采用外部存儲器，往往首先想到的選項是添加更多閃存或一個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計參數：

　　對數據同化的高要求正在推動對存儲器要求的提高

　　存儲器正日漸成為組件選擇和物料清單(BOM)的重要組成部分

　　延長電池使用壽命和縮短充電時間現已成為市場重要的差異化參量。

　　一般在代碼高度復雜、需要執行多重數學函數的情況下，設計會變得更加復雜，這時設計人員會考慮增加片上資源，使用外部存儲器。低功耗外部并行接口存儲器可能會是符合邏輯的首選項，一般是支持極低工作電流并在理想情況下支持零待機電流的SRAM類存儲器。

　　此外，并行接口FRAM也可用于此類應用。FRAM不僅具有高達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訪問時間)。FRAM天生是非易失性的，因此它們可在未使用時或是MCU進入睡眠模式時執行電源門控(關閉)。

　　并行易失性/非易失性存儲器技術比較：

　　一般使用串行閃存實施的數據存儲也會出現相似的問題。閃存單位Mbit成本低，提供較大的存儲密度，因此是廣泛使用的存儲器。但閃存的缺點是寫入時能耗較大，耗盡電池的速度較快。許多開發人員試圖分區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存儲密度的外部串行接口FRAM。

　　串行非易失性存儲器技術比較：

　　串行FRAM與MRAM、EEPROM及基于閃存的存儲器相比，具有兩大優勢。首先寫入FRAM的能耗與其它非易失性存儲器相比要低幾個數量級。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。

　　不同技術間的寫入耐用性比較

　　可穿戴電子設備試圖通過節能來最大限度地延長電池使用壽命。此類應用依靠微弱突發能量在短時段內提供電源。因此在斷電之前MCU能夠執行的代碼行數量極為有限。基于閃存的應用具有極高的電源代價，不僅是因為訪問閃存時平均功耗較高，而且還因為在閃存寫入事件中峰值功耗較高。這種峰值功耗主要是因為使用充電泵，電流值可達7mA，這使得可穿戴電子產品無法進行非易失性寫入。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是節電應用的真正高靈活選項。

　　在單個一體化存儲器中完美整合RAM與ROM功能：

　　從事嵌入式系統開發的設計人員一般根據需要存儲的內容選擇存儲器。可執行代碼通常存儲在非易失性存儲器中，而數據則存儲在易失性存儲器中(除存檔目的外)。但對大多數嵌入式系統而言，存儲器技術與應用混合的傳統做法仍然有效。

　　存儲器技術應用一般分為可執行代碼任務與數據任務。掩膜ROM、OTP-EPROM和NOR閃存等基于ROM的技術屬于非易失性，因此適合代碼存儲應用。

　　包括NAND閃存和EEPROM在內的其它ROM派生技術可用作非易失性數據存儲器。這些必須進行利弊權衡，因為同時進行代碼及數據存儲時，與其它技術相比性能不佳。閃存用于數據存儲的最大優勢是低成本，而不是易用性或高性能。

　　SRAM等基于RAM的技術既可用于數據存儲，也可在閃存緩慢時用作代碼執行工作空間。RAM可實現代碼及數據功能性的完美結合，但普通RAM只能提供臨時存儲。

　　空間有限的應用要求以少量器件實現最大功能性。即便在具有足夠電路板空間的應用中，設計人員也未必愿意在系統中使用三種不同類型的存儲器。在理想情況下，單項存儲器技術就可同時滿足代碼與數據存儲需求。它必須是非易失性的，因此普通RAM不在考慮之列。這就只剩下數據存儲介質性能欠佳的ROM系列技術、不可取的電池供電SRAM和鐵電RAM(FRAM)了。

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

　　參考資料：

　　2Mb FRAM產品說明書：http://www.cypress.com/?rID=73536

　　FRAM SPI應用指南：http://www.cypress.com/?rID=82691

　　FRAM SPI讀寫，重啟過程中的數據保護：http://www.cypress.com/?rID=81967

　　FRAM技術簡介：http://www.cypress.com/?rID=83088

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