嵌入式系统中高速度大容量的数据存储器件的综合介绍
1 常见高速度大容量非易失随机数据存储
高速度、大容量、非易失、随机存储是现代嵌入式应用体系数据存储的迫切需要，特别是大量的测/控过程参变量、音/视频数据、高速通信数据包、可变配置文件等的存储。高速度是指存取访问速度快，对于并行接口存储器为几到几十秒级，对于串行存储器波特率为几百kbps到几十mbps.大容量是指以尽可能小的芯片体积得到尽可能大的数据存储密度，通常为几百千位到几百兆位。非易失随机存储器在断电后不会丢失数据。而随机存储器以铁电物质为原料，通过施加电场，依靠铁电晶体的电极在两个稳定态之间转换实现数据的读写。铁电随机存储器具备非易失、读写速度快、工作电压低、数据存储时间长等优势，但是在容量方面一直没有突破。
面对这些需求，自然会想到sram（static random access memory,静态随机访问存储器）、dram（dynamic ram,动态存储器）和flash（flash memory,闪速存储器）。sram不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。而dram（dynamic random access memory）每隔一段时间，要刷新充电一次，否则内部的数据即会消失，因此sram具有较高的性能。dram（dynamic random access memory），即动态随机存取存储器最为常见的系统内存。dram 只能将数据保持很短的时间。为了保持数据，dram使用电容存储，所以 必须隔一段时间刷新（refresh）一次，如果存储单元没有被刷新，存储的信息就会丢失。 （关机就会丢失数据）
能够部分或全部满足高速度、大容量、非易失、随机数据存取访问的存储器件主要有6种，如图1所示。
常用高速度大容量非易失存储器件的接口类型如图2所示。
特别指出：文中存储器的速度是指读/写操作访问存储器的速率，实际应用中并行存储器速度常用一次读/写操作的时间周期表示，如70~140 ns;串行存储器常用每秒读/写操作的二进制位数（即时间频率）表示，如25mhz.
2 高速度大容量非易失随机存储器件综述
2.1 电擦除可编程存储器e2prom
eeprom（电可擦写可编程只读存储器）是可用户更改的只读存储器（rom），其可通过高于普通电压的作用来擦除和重编程（重写）。不像eprom芯片，eeprom不需从计算机中取出即可修改。在一个eeprom中，当计算机在使用的时候是可频繁地重编程的，eeprom的寿命是一个很重要的设计考虑参数。eeprom的一种特殊形式是闪存，其应用通常是个人电脑中的电压来擦写和重编程。 eeprom,一般用于即插即用（plug & play）。常用在接口卡中，用来存放硬件设置数据。也常用在防止软件非法拷贝的硬件锁上面。
e2prom器件的重复擦写次数在102~105次，掉电数据保存时间达10年，通常为5v、3.3v、3v、2.7v、2.5v或1.8v单电源供电。saifun提出的quad nrom新技术，使传统存储单元上存储的数据信息扩大了一倍，同时也大大提高了读/写访问速度。该项技术应用于e2prom产生了很多大密度、高速度、小体积存储器件。
常用e2prom器件有8位并行的e.prom和spi、i2c、1-wire等串行e2prom.器件命名常带c,如25c.并行e2prom容量在2~512 kb,速度为100~300 ns,如atmel公司的5 v/512 kb的at28c020、3.3 v/128 kb 的 at28lv010、 3 v/64 kb 的at28bv256,以及mcrochip公司的28c04/16/17/32/64a等。
1一wire串行e2prom多为低功耗器件，6或8脚的so、sot、tsoc或csp封装，容量为256位~4 kb,页模式写操作，具有wp或sha一1数据写保护机制。
maxim公司供应不同规格的该类器件，型号为ds243x,如电源电压为2.8~5.5 v、容量为1 kb的ds2432.
i2c串行e2prom容量为128位~1 mb,低功耗，支持字节/页模式写操作，多为8脚smd小型封装。通常有3种速度：100 khz（标速）、400 khz（高速）和1 mhz（全速）。采用quad nrom技术的该类存储器可以达到3.4 mhz,不少i2c串行e2prom具有硬件或软件数据保护机制。microchip、atmel、firechild、saifun、samsung、infineon、catalyst等很多半导体厂商生产i2c这类器件。
spi串行e2prom容量为256位~4 mb,多以页模式进行写操作，带有页缓冲ram,有软件/硬件数据保护机制。这类器件多是作为从器件工作在spi总线协议的模式o或模式3.xicor、mierochip、atmel、saifun等很多半导体厂商生产该类器件，如4 mb at254096和sa25c040.
2.2 闪速存储器flash
flash闪存英文名称是flash memory,一般简称为flash,它属于内存器件的一种。 不过闪存的物理特性与常见的内存有根本性的差异： 目前各类 ddr 、 sdram 或者 rdram 都属于挥发性内存，只要停止电流供应内存中的数据便无法保持，因此每次电脑开机都需要把数据重新载入内存；闪存则是一种不挥发性（ non-volatile ）内存，在没有电流供应的条件下也能够长久地保持数据，其存储特性相当于硬盘，这项特性正是闪存得以成为各类便携型数字设备的存储介质的基础。
根据存储单元的组合形式差异，flash主要有两种类型：或非nor和与非nand.
nor flash也称为linear flash,拥有独立的数据总线和地址总线，能快速随机读取，可以单字节/单字编程，但必须以块为单位或整片执行擦除，重新编程之前必须进行擦除操作。nor flash擦除和编程速度较慢，容量不大，最大为几百mb.
nand flash中数据线与地址线复用，以页（256或512字节）为单位进行读和编程操作，以块（4/8/16 kb）为单位进行擦除操作，编程和擦除的速度较快，随机读取速度慢且不能按字节随机编程。这类器件尺寸小，引脚少，成本低，容量大（可达几千mb）。早期芯片含有失效块，采用ultranand技术后有效地消除了失效块。现代的nand flash常内含1~2级的缓冲sram,页访问速度更快了。
常用flash是8位或16位的并行存储器和spi接口，存储器，器件标识多含f,如25fxxx.并行flash的速度通常为40~150 ns,使用寿命在103~106次。intel、sharp、toshiba等公司生产系列化的并行nor flash,samsung、toshiba、fujistu、sandisk等公司生产系列化的并行nand flash.并行flash中，以nand型应用最多。
spi flash以页模式写入，每次写入的字节数限制页内，写前必须进行页、扇区（若干页）或整体擦除，片内含有与页等大小的ram缓冲，速度较快。这类器件多为大容量、低功耗、低电源供电器件，具有硬件/软件数据保护机制，8引脚封装，引脚兼容同种规格的spie2prom.需要注意的是，写或擦除前必须进行写使能操作。atreel与saifun等公司提供系列化的spi flash,容量可达4 mb.atmel器件，派生自e2prom,频率可达33 mhz;saifun器件，采用其独特的quad nrom技术，频率可达50 mhz.spi flash在便携式消费电子中应用广泛。典型的高速度大容量spi flash如at25f4096、sa25f040等。
2.3 电池后备静态随机存储器bbsram
bbsram需要电池（一般是锂电池）用以在外部供电出现故障或关断时供电。另外，它也不可能采用回流焊工艺，因为电池可能因此发生泄漏甚至爆炸。bbsram还需遵循欧盟有害物质限用指令（rohs），这可能会给设计工程师带来极大的困难。rohs指令在2003年2月份开始实施，是欧盟制定的一项法令，限制了某些电子电气产品制造过程中对6种有害材料的使用。虽然存在上述各种艰巨挑战，若系统需要每秒数千次的访问速度，bbsram仍不失为一种理想选择。bbsram中的静态ram 允许无限的读写次数，非常适合那些需要频繁读写的存储器应用。
常用的bbsram是8位的并行存储器件，读/写访问速度为50~150 ns,容量可达128 mb,5/3.3 v电源供应，接口引脚兼容同种规格的sram器件，一些器件还有软硬件数据保护机制。常见的bbsram有美新宏控公司的基本硬件保护型8位hkl2系列、增强硬件型8位hkl2dp系列、硬软件保护型8位oks系列，st与maxim公司的零功耗bbsram系列、带实时时钟的bbsram系列等。典型的大容量器件如8m×8位的hk/oksl295、16m×8位的hk/oks1285等。
2.4 非易失静态随机存储器nvsram
nvsram 为 non-volatile sram缩写，即为非易失性sram.nvsram采用sram+eeprom方式，实现了无须后备电池的非易失性存储，芯片接口、时序等与标准sram完全兼容。nvsram通常的操作都在sram中进行，只有当外界突然断电或者认为需要存储的时候才会把数据存储到eeprom中去，当检测到系统上电后会把eeprom中的数据拷贝到sram中，系统正常运行。其主要用于掉电时保存不能丢失的重要的数据，应用领域广泛。nvsram有3种存储方式：自动存储、硬件存储和软件存储。有2种召回（recall）操作方式：自动recall和软件recall.存储过程包括2个步骤：擦除之前e2prom的内容，把当前sram的数据保存到e2prom中。召回过程也包括2个步骤：清除之前sram的内容，把e2prom的数据拷贝到sram中。自动存储或召回由器件内含的逻辑监控电路完成，硬件存储由可控引脚外部实现，软件存储或召回通过软件由预定义的连续sram读操作来控制实现。
常见nvsram是8位的并行存储器件，可以随机读/写访问，存取访问速度为15~45 ns,容量可达4mb,引脚接口兼容同类型的sram.nvsram器件体积小，占用pcb空间小，通常有soic和ssop两种封装，5/3.3v电源供电，器件使用寿命在10年以上，片内的e2prom可以保存数据100年。cypress、maxim等公司都有系列化的nvsram器件，典型的nvsram器件如cyl4e256l（32k×8位）、dsl350y/ab（512k×8位）等。
2.5 铁电晶体随机存储器fram
铁电晶体随机存储器fram（ferroelectric ram）是ramtron公司开发并推出的基于铁电晶体效应的高速非易失性存储器。铁电效应是指在铁电晶体上施加一定的电场时，晶体中心原子在电场的作用下运动，并达到一种稳定状态；移走电场，晶体中心原子仍会保持在原位置；铁电效应是铁电晶体所固有的一种与电磁作用无关的偏振极化特性。fram存储单元主要由电容和场效应管构成，由存储单元电容中铁电晶体的中心原子位置保存数据。
fram速度很快，可以随机读/写访问，写前不需要擦除操作，功耗极低（约为e2prom的1/20），抗磁/电场干扰能力强。5 v器件的使用寿命是1014次，3.3 v器件几乎可以达到无限次，存储数据可以保持45~125年，其非易失性失效后还可以作为sram使用。读/写访问fram后，需要一个预充（precharge）过程恢复存储的数据位，读/写操作具有增加的预充电时间，这是fram所独有的。
主要的fram有8/16位的并行fram和i2c、spi接口的串行fram.fram器件以fmxxx开头，其封装和引脚分布与同类sram、e2prom器件兼容。i2cfram的速度可达1mhz,容量可达512 kb.spifram的速度可达40 mhz,容量可达2 mb.并行fram的速度可达55 ns,读/写周期为110 ns,容量可达4 mb.使用并行fram,由于存在预充,读/写操作时要特别注意微处理器与存储器的时序的对应统一。典型的高速度大容量fram器件有16位并行fm22l16、8位并行fm20l08、fmm24c512、fm25h20等。
2.6 磁阻式随机存储器mram
磁阻性随机存储器mram（magnetic-resistiveram）基于gmr（giant magneto resistive）薄膜技术，与硬盘驱动器原理相同，以磁性的方向为依据存储数据。其基本存储单元是磁隧道结（mtj）结构，mtj由固定磁层、薄绝缘隧道隔离层和自由磁层组成。向mtj施加偏压时，被磁层极化的电子会通过一个称为穿遂（tunneling）的过程，穿透绝缘隔离层；当自由层的磁矩与固定层平行时mtj结构具有低电阻；而当自由层的磁矩方向与固定层反向平行时则具有高电阻，这就是电阻随磁性状态改变而变化的磁阻现象。相对于传统的电荷存储，磁阻存储有两个重要优点：磁场极性不会像电荷那样会随时间而泄漏，即使断电也能保持信息；两种状态之间转换磁场极性时不会发生电子和原子的实际移动，也就不会有所谓的失效机制。
常见mram器件是8位或16位的并行存储器件，存取速度为25~100ns,读操作速度快，写操作速度稍慢。mram器件封装体积小，符合rohs标准，引脚兼容同类型的sram器件，最大容量可达4mb,功耗低，通常以3.3/3 v电源工作，使用寿命都在10年以上，现代很多mram器件已经几乎没有了使用次数限制。飞思卡尔等公司推出有系列化的mram器件，典型器件如1mb的mroal6a、4 mb的mr2a16a/av等。
3 高速度大容量非易失随机数据存储纵观
各种高速度大容量非易失随机数据存储器性能对比如表1~表4所列。
从e2prom、flash、bbsram到nvsram、fram、mram,每种类型的存储器都有各自的优势和不足。传统的e2prom、flash、bbsram存储器件符合传统操作习惯，具有价格上的优势，在中低档嵌入式产品中还有广泛的应用。但是，e2prom和flash存储器件需要写前擦除，e2prom和nor flash容量有限，nand flash还要页模式操作，bbsram体积庞大且不符合rohs环保标准，这些缺陷决定了它们迟早要让位于现代的nvsram、fram、mram器件。
nvsram、fram、mram器件，在速度、容量、非易失性、随机操作、封装体积、功耗等性能方面具有很大优势，代表着现代高速度、大容量、非易失、随机数据存储器件的发展趋势。nvsram速度优势最强，美中不足的是需要外接满足特定要求的电容。fram器件种类齐全，特别是可以代替e2prom和flash的串行器件，但其操作速度不是最优，还有待提高。mram器件有显着的速度、容量、非易失、随机操作、体积、功耗优势，正在得到广泛应用。nvsram、fram、mram器件性价比很高，但是价格相对稍高些。
4 高速度大容量非易失随机存储器件选用
为嵌入式应用系统选择非易失随机存储器件的一般步骤如下：
①根据设计产品功能需求，考虑需求的器件接口是并行的还是串行spi或i2c的。并行接口器件运行速度快，便于软件操作，适合于大中型体系，如测/控板卡等；串行接口硬件电路简单，适合于消费类电子、便携式设备等。
②根据实际需求和价格成本因素选择合适类型的器件。并行存储器类型多，8/16位系列化器件多，选择余地很大。spi器件，有e2prom、flash和fram类型。i2c器件只有e2prom和fram类型。
③根据速度、容量、非易失性、随机访问便利性、封装体积、功耗等设计需求，以及上述一系列高速度、大容量、非易失、随机存储器件的对比分析，选择合适半导体厂家的具体存储器件。既要做到性能选择最优，又要兼顾投入成本。可以使用同一存储器件完成数据缓存、中间数据存储、非易失数据存储，这正是非易失随机数据存储的优势所在。
结 语
e2prom、flash、bbsr.am、nvsram、fram、mram等存储器及其系列化器件，为嵌入式应用系统的高速度、大容量、非易失、随机数据存储提供了广阔的选择空间。nvsram、fram、mram存储器，特别是fram和mram具有更高的性价比。有了这些高性能低成本器件，中间数据缓存、灵活参数配置、测/控变量存储、音/视频数据存储、高速通信数据包存储、程序代码可变存储等嵌入式系统设计，将变得更加灵活、高效和方便。
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高速度、大容量、非易失、随机存储是现代嵌入式应用体系数据存储的迫切需要，特别是大量的测/控过程参变量、音/视频数据、高速通信数据包、可变配置文件等的存储。高速度是指存取访问速度快，对于并行接口存储器为几到几十秒级，对于串行存储器波特率为几百kbps到几十mbps.大容量是指以尽可能小的芯片体积得到尽可能大的数据存储密度，通常为几百千位到几百兆位。非易失随机存储器在断电后不会丢失数据。而随机存储器以铁电物质为原料，通过施加电场，依靠铁电晶体的电极在两个稳定态之间转换实现数据的读写。铁电随机存储器具备非易失、读写速度快、工作电压低、数据存储时间长等优势，但是在容量方面一直没有突破。
面对这些需求，自然会想到sram（static random access memory,静态随机访问存储器）、dram（dynamic ram,动态存储器）和flash（flash memory,闪速存储器）。sram不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。而dram（dynamic random access memory）每隔一段时间，要刷新充电一次，否则内部的数据即会消失，因此sram具有较高的性能。dram（dynamic random access memory），即动态随机存取存储器最为常见的系统内存。dram 只能将数据保持很短的时间。为了保持数据，dram使用电容存储，所以 必须隔一段时间刷新（refresh）一次，如果存储单元没有被刷新，存储的信息就会丢失。 （关机就会丢失数据）
能够部分或全部满足高速度、大容量、非易失、随机数据存取访问的存储器件主要有6种，如图1所示。
常用高速度大容量非易失存储器件的接口类型如图2所示。
特别指出：文中存储器的速度是指读/写操作访问存储器的速率，实际应用中并行存储器速度常用一次读/写操作的时间周期表示，如70~140 ns;串行存储器常用每秒读/写操作的二进制位数（即时间频率）表示，如25mhz.
2 高速度大容量非易失随机存储器件综述
2.1 电擦除可编程存储器e2prom
eeprom（电可擦写可编程只读存储器）是可用户更改的只读存储器（rom），其可通过高于普通电压的作用来擦除和重编程（重写）。不像eprom芯片，eeprom不需从计算机中取出即可修改。在一个eeprom中，当计算机在使用的时候是可频繁地重编程的，eeprom的寿命是一个很重要的设计考虑参数。eeprom的一种特殊形式是闪存，其应用通常是个人电脑中的电压来擦写和重编程。 eeprom,一般用于即插即用（plug & play）。常用在接口卡中，用来存放硬件设置数据。也常用在防止软件非法拷贝的硬件锁上面。
e2prom器件的重复擦写次数在102~105次，掉电数据保存时间达10年，通常为5v、3.3v、3v、2.7v、2.5v或1.8v单电源供电。saifun提出的quad nrom新技术，使传统存储单元上存储的数据信息扩大了一倍，同时也大大提高了读/写访问速度。该项技术应用于e2prom产生了很多大密度、高速度、小体积存储器件。
常用e2prom器件有8位并行的e.prom和spi、i2c、1-wire等串行e2prom.器件命名常带c,如25c.并行e2prom容量在2~512 kb,速度为100~300 ns,如atmel公司的5 v/512 kb的at28c020、3.3 v/128 kb 的 at28lv010、 3 v/64 kb 的at28bv256,以及mcrochip公司的28c04/16/17/32/64a等。
1一wire串行e2prom多为低功耗器件，6或8脚的so、sot、tsoc或csp封装，容量为256位~4 kb,页模式写操作，具有wp或sha一1数据写保护机制。
maxim公司供应不同规格的该类器件，型号为ds243x,如电源电压为2.8~5.5 v、容量为1 kb的ds2432.
i2c串行e2prom容量为128位~1 mb,低功耗，支持字节/页模式写操作，多为8脚smd小型封装。通常有3种速度：100 khz（标速）、400 khz（高速）和1 mhz（全速）。采用quad nrom技术的该类存储器可以达到3.4 mhz,不少i2c串行e2prom具有硬件或软件数据保护机制。microchip、atmel、firechild、saifun、samsung、infineon、catalyst等很多半导体厂商生产i2c这类器件。
spi串行e2prom容量为256位~4 mb,多以页模式进行写操作，带有页缓冲ram,有软件/硬件数据保护机制。这类器件多是作为从器件工作在spi总线协议的模式o或模式3.xicor、mierochip、atmel、saifun等很多半导体厂商生产该类器件，如4 mb at254096和sa25c040.
2.2 闪速存储器flash
flash闪存英文名称是flash memory,一般简称为flash,它属于内存器件的一种。 不过闪存的物理特性与常见的内存有根本性的差异： 目前各类 ddr 、 sdram 或者 rdram 都属于挥发性内存，只要停止电流供应内存中的数据便无法保持，因此每次电脑开机都需要把数据重新载入内存；闪存则是一种不挥发性（ non-volatile ）内存，在没有电流供应的条件下也能够长久地保持数据，其存储特性相当于硬盘，这项特性正是闪存得以成为各类便携型数字设备的存储介质的基础。
根据存储单元的组合形式差异，flash主要有两种类型：或非nor和与非nand.
nor flash也称为linear flash,拥有独立的数据总线和地址总线，能快速随机读取，可以单字节/单字编程，但必须以块为单位或整片执行擦除，重新编程之前必须进行擦除操作。nor flash擦除和编程速度较慢，容量不大，最大为几百mb.
nand flash中数据线与地址线复用，以页（256或512字节）为单位进行读和编程操作，以块（4/8/16 kb）为单位进行擦除操作，编程和擦除的速度较快，随机读取速度慢且不能按字节随机编程。这类器件尺寸小，引脚少，成本低，容量大（可达几千mb）。早期芯片含有失效块，采用ultranand技术后有效地消除了失效块。现代的nand flash常内含1~2级的缓冲sram,页访问速度更快了。
常用flash是8位或16位的并行存储器和spi接口，存储器，器件标识多含f,如25fxxx.并行flash的速度通常为40~150 ns,使用寿命在103~106次。intel、sharp、toshiba等公司生产系列化的并行nor flash,samsung、toshiba、fujistu、sandisk等公司生产系列化的并行nand flash.并行flash中，以nand型应用最多。
spi flash以页模式写入，每次写入的字节数限制页内，写前必须进行页、扇区（若干页）或整体擦除，片内含有与页等大小的ram缓冲，速度较快。这类器件多为大容量、低功耗、低电源供电器件，具有硬件/软件数据保护机制，8引脚封装，引脚兼容同种规格的spie2prom.需要注意的是，写或擦除前必须进行写使能操作。atreel与saifun等公司提供系列化的spi flash,容量可达4 mb.atmel器件，派生自e2prom,频率可达33 mhz;saifun器件，采用其独特的quad nrom技术，频率可达50 mhz.spi flash在便携式消费电子中应用广泛。典型的高速度大容量spi flash如at25f4096、sa25f040等。
2.3 电池后备静态随机存储器bbsram
bbsram需要电池（一般是锂电池）用以在外部供电出现故障或关断时供电。另外，它也不可能采用回流焊工艺，因为电池可能因此发生泄漏甚至爆炸。bbsram还需遵循欧盟有害物质限用指令（rohs），这可能会给设计工程师带来极大的困难。rohs指令在2003年2月份开始实施，是欧盟制定的一项法令，限制了某些电子电气产品制造过程中对6种有害材料的使用。虽然存在上述各种艰巨挑战，若系统需要每秒数千次的访问速度，bbsram仍不失为一种理想选择。bbsram中的静态ram 允许无限的读写次数，非常适合那些需要频繁读写的存储器应用。
常用的bbsram是8位的并行存储器件，读/写访问速度为50~150 ns,容量可达128 mb,5/3.3 v电源供应，接口引脚兼容同种规格的sram器件，一些器件还有软硬件数据保护机制。常见的bbsram有美新宏控公司的基本硬件保护型8位hkl2系列、增强硬件型8位hkl2dp系列、硬软件保护型8位oks系列，st与maxim公司的零功耗bbsram系列、带实时时钟的bbsram系列等。典型的大容量器件如8m×8位的hk/oksl295、16m×8位的hk/oks1285等。
2.4 非易失静态随机存储器nvsram
nvsram 为 non-volatile sram缩写，即为非易失性sram.nvsram采用sram+eeprom方式，实现了无须后备电池的非易失性存储，芯片接口、时序等与标准sram完全兼容。nvsram通常的操作都在sram中进行，只有当外界突然断电或者认为需要存储的时候才会把数据存储到eeprom中去，当检测到系统上电后会把eeprom中的数据拷贝到sram中，系统正常运行。其主要用于掉电时保存不能丢失的重要的数据，应用领域广泛。nvsram有3种存储方式：自动存储、硬件存储和软件存储。有2种召回（recall）操作方式：自动recall和软件recall.存储过程包括2个步骤：擦除之前e2prom的内容，把当前sram的数据保存到e2prom中。召回过程也包括2个步骤：清除之前sram的内容，把e2prom的数据拷贝到sram中。自动存储或召回由器件内含的逻辑监控电路完成，硬件存储由可控引脚外部实现，软件存储或召回通过软件由预定义的连续sram读操作来控制实现。
常见nvsram是8位的并行存储器件，可以随机读/写访问，存取访问速度为15~45 ns,容量可达4mb,引脚接口兼容同类型的sram.nvsram器件体积小，占用pcb空间小，通常有soic和ssop两种封装，5/3.3v电源供电，器件使用寿命在10年以上，片内的e2prom可以保存数据100年。cypress、maxim等公司都有系列化的nvsram器件，典型的nvsram器件如cyl4e256l（32k×8位）、dsl350y/ab（512k×8位）等。
2.5 铁电晶体随机存储器fram
铁电晶体随机存储器fram（ferroelectric ram）是ramtron公司开发并推出的基于铁电晶体效应的高速非易失性存储器。铁电效应是指在铁电晶体上施加一定的电场时，晶体中心原子在电场的作用下运动，并达到一种稳定状态；移走电场，晶体中心原子仍会保持在原位置；铁电效应是铁电晶体所固有的一种与电磁作用无关的偏振极化特性。fram存储单元主要由电容和场效应管构成，由存储单元电容中铁电晶体的中心原子位置保存数据。
fram速度很快，可以随机读/写访问，写前不需要擦除操作，功耗极低（约为e2prom的1/20），抗磁/电场干扰能力强。5 v器件的使用寿命是1014次，3.3 v器件几乎可以达到无限次，存储数据可以保持45~125年，其非易失性失效后还可以作为sram使用。读/写访问fram后，需要一个预充（precharge）过程恢复存储的数据位，读/写操作具有增加的预充电时间，这是fram所独有的。
主要的fram有8/16位的并行fram和i2c、spi接口的串行fram.fram器件以fmxxx开头，其封装和引脚分布与同类sram、e2prom器件兼容。i2cfram的速度可达1mhz,容量可达512 kb.spifram的速度可达40 mhz,容量可达2 mb.并行fram的速度可达55 ns,读/写周期为110 ns,容量可达4 mb.使用并行fram,由于存在预充,读/写操作时要特别注意微处理器与存储器的时序的对应统一。典型的高速度大容量fram器件有16位并行fm22l16、8位并行fm20l08、fmm24c512、fm25h20等。
2.6 磁阻式随机存储器mram
磁阻性随机存储器mram（magnetic-resistiveram）基于gmr（giant magneto resistive）薄膜技术，与硬盘驱动器原理相同，以磁性的方向为依据存储数据。其基本存储单元是磁隧道结（mtj）结构，mtj由固定磁层、薄绝缘隧道隔离层和自由磁层组成。向mtj施加偏压时，被磁层极化的电子会通过一个称为穿遂（tunneling）的过程，穿透绝缘隔离层；当自由层的磁矩与固定层平行时mtj结构具有低电阻；而当自由层的磁矩方向与固定层反向平行时则具有高电阻，这就是电阻随磁性状态改变而变化的磁阻现象。相对于传统的电荷存储，磁阻存储有两个重要优点：磁场极性不会像电荷那样会随时间而泄漏，即使断电也能保持信息；两种状态之间转换磁场极性时不会发生电子和原子的实际移动，也就不会有所谓的失效机制。
常见mram器件是8位或16位的并行存储器件，存取速度为25~100ns,读操作速度快，写操作速度稍慢。mram器件封装体积小，符合rohs标准，引脚兼容同类型的sram器件，最大容量可达4mb,功耗低，通常以3.3/3 v电源工作，使用寿命都在10年以上，现代很多mram器件已经几乎没有了使用次数限制。飞思卡尔等公司推出有系列化的mram器件，典型器件如1mb的mroal6a、4 mb的mr2a16a/av等。
3 高速度大容量非易失随机数据存储纵观
各种高速度大容量非易失随机数据存储器性能对比如表1~表4所列。
从e2prom、flash、bbsram到nvsram、fram、mram,每种类型的存储器都有各自的优势和不足。传统的e2prom、flash、bbsram存储器件符合传统操作习惯，具有价格上的优势，在中低档嵌入式产品中还有广泛的应用。但是，e2prom和flash存储器件需要写前擦除，e2prom和nor flash容量有限，nand flash还要页模式操作，bbsram体积庞大且不符合rohs环保标准，这些缺陷决定了它们迟早要让位于现代的nvsram、fram、mram器件。
nvsram、fram、mram器件，在速度、容量、非易失性、随机操作、封装体积、功耗等性能方面具有很大优势，代表着现代高速度、大容量、非易失、随机数据存储器件的发展趋势。nvsram速度优势最强，美中不足的是需要外接满足特定要求的电容。fram器件种类齐全，特别是可以代替e2prom和flash的串行器件，但其操作速度不是最优，还有待提高。mram器件有显着的速度、容量、非易失、随机操作、体积、功耗优势，正在得到广泛应用。nvsram、fram、mram器件性价比很高，但是价格相对稍高些。
4 高速度大容量非易失随机存储器件选用
为嵌入式应用系统选择非易失随机存储器件的一般步骤如下：
①根据设计产品功能需求，考虑需求的器件接口是并行的还是串行spi或i2c的。并行接口器件运行速度快，便于软件操作，适合于大中型体系，如测/控板卡等；串行接口硬件电路简单，适合于消费类电子、便携式设备等。
②根据实际需求和价格成本因素选择合适类型的器件。并行存储器类型多，8/16位系列化器件多，选择余地很大。spi器件，有e2prom、flash和fram类型。i2c器件只有e2prom和fram类型。
③根据速度、容量、非易失性、随机访问便利性、封装体积、功耗等设计需求，以及上述一系列高速度、大容量、非易失、随机存储器件的对比分析，选择合适半导体厂家的具体存储器件。既要做到性能选择最优，又要兼顾投入成本。可以使用同一存储器件完成数据缓存、中间数据存储、非易失数据存储，这正是非易失随机数据存储的优势所在。
结 语
e2prom、flash、bbsr.am、nvsram、fram、mram等存储器及其系列化器件，为嵌入式应用系统的高速度、大容量、非易失、随机数据存储提供了广阔的选择空间。nvsram、fram、mram存储器，特别是fram和mram具有更高的性价比。有了这些高性能低成本器件，中间数据缓存、灵活参数配置、测/控变量存储、音/视频数据存储、高速通信数据包存储、程序代码可变存储等嵌入式系统设计，将变得更加灵活、高效和方便。
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