摘要：介紹鐵電存儲器（fram）的一般要領(lǐng)和基本原理，詳細(xì)分析其讀寫操作過程及時序。將fram與其它存儲器進行比較，分析在不同場合中各自的優(yōu)缺點。最后以fm1808為例說明并行fpga與8051系列單片機的實際接口，著重分析與使用一般sram的不同之處。

    關(guān)鍵詞：鐵電存儲器 fram原理 8051 存儲技術(shù)

    1 背景

    鐵電存儲技術(shù)最在1921年提出，直到1993年美國ramtron國際公司成功開發(fā)出第一個4kb的鐵電存儲器fram產(chǎn)品，目前所有的fram產(chǎn)品均由ramtron公司制造或授權(quán)。最近幾年，fram又有新的發(fā)展，采用了0.35μm工藝，推出了3v產(chǎn)品，開發(fā)出“單管單容”存儲單元的fram，最大密度可在256kb。

    2 fram原理

    fram利用鐵電晶體的鐵電效應(yīng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，鐵電晶體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。鐵電效應(yīng)是指在鐵電晶體上施加一定的電場時，晶體中心原子在電場的作用下運動，并達到一種穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)電場從晶體移走后，中心原子會保持在原來的位置。這是由于晶體的中間層是一個高能階，中心原子在沒有獲得外部能量時不能越過高能階到達另一穩(wěn)定位置，因此fram保持?jǐn)?shù)據(jù)不需要電壓，也不需要像dram一樣周期性刷新。由于鐵電效應(yīng)是鐵電晶體所固有的一種偏振極化特性，與電磁作用無關(guān)，所以fram存儲器的內(nèi)容不會受到外界條件（諸如磁場因素）的影響，能夠同普通rom存儲器一樣使用，具有非易失性的存儲特性。

    fram的特點是速度快，能夠像ram一樣操作，讀寫功耗極低，不存在如e2prom的最大寫入次數(shù)的問題；但受鐵電晶體特性制約，fram仍有最大訪問（讀）次數(shù)的限制。

    2．1 fram存儲單元結(jié)構(gòu)

    fram的存儲單元主要由電容和場效應(yīng)管構(gòu)成，但這個電容不是一般的電容，在它的兩個電極板中間沉淀了一層晶態(tài)的鐵電晶體薄膜。前期的fram的每個存儲單元使用2個場效應(yīng)管和2個電容，稱為“雙管雙容”（2t2c），每個存儲單元包括數(shù)據(jù)位和各自的參考位，簡化的2t2c存儲單元結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示。2001年ramtron設(shè)計開發(fā)了更先進的“單管單容”（1t1c）存儲單元。1t1c的fram所有數(shù)據(jù)位使用同一個參考位，而不是對于每一數(shù)據(jù)位使用各自獨立的參考位。1t1c的fram產(chǎn)品成本更低，而且容量更大。簡化的1t1c存儲單元結(jié)構(gòu)（未畫出公共參考位）如圖2（b）所示。

    2.2 fram的讀/寫操作

    fram保存數(shù)據(jù)不是通過電容上的電荷，而是由存儲單元電容中鐵電晶體的中心原子位置進行記錄。直接對中心原子的位置進行檢測是不能實現(xiàn)的。實際的讀操作過程是：在存儲單元電容上施加一已知電場（即對電容充電），如果原來晶體中心原子的位置與所施加的電場方向使中心原子要達到的位置相同，中心原子不會移動；若相反，則中心原子將越過晶體中間層的高能階到達另一位置，在充電波形上就會出現(xiàn)一個尖峰，即產(chǎn)生原子移動的比沒有產(chǎn)生移動的多了一個類峰。把這個充電波形同參考位（確定且已知）的充電波形進行比較，便可以判斷檢測的存儲單元中的內(nèi)容是“1”或“0”。

    無論是2t2c還是1t1c的fram，對存儲單元進行讀操作時，數(shù)據(jù)位狀態(tài)可能改變而參考位則不會改變（這是因為讀操作施加的電場方向與原參考位中原子的位置相同）。由于讀操作可能導(dǎo)致存儲單元狀態(tài)的改變，需要電路自動恢復(fù)其內(nèi)容，所以每個讀操作后面還伴隨一個“預(yù)充”（precharge）過程來對數(shù)據(jù)位恢復(fù)，而參考位則不用恢復(fù)。晶體原子狀態(tài)的切換時間小于1ns，讀操作的時間小于70ns，加上“預(yù)充”時間60ns，一個完整的讀操作時間約為130ns。

    寫操作和讀操作十分類似，只要施加所要的方向的電場改變鐵電晶體的狀態(tài)就可以了，而無需進行恢復(fù)。但是寫操作仍要保留一個“預(yù)充”時間，所以總的時間與讀操作相同。fram的寫操作與其它非易失性存儲器的寫操作相比，速度要快得多，而且功耗小。

    2.3 fram的讀寫時序

    在fram讀操作后必須有個“預(yù)充電”過程，來恢復(fù)數(shù)據(jù)位。增加預(yù)充電時間后，fram一個完整的讀操作周期為130ns，如圖3（a）所示。這是與sram和e2prom不同的地方。圖3（b）為寫時序。

    3 fram與其它存儲技術(shù)比較

    目前ramtron公司的fram主要包括兩大類：串行fram和并行fram。