FRAM的工作原理，为什么要使用FRAM？

　　使用微控制器 （MCU） 的设计人员已经开始严重依赖闪存来存储代码，因为 IC 制造商已经扩展了非易失性存储器的制造工艺，并且正在 MCU IC 上生产相当大的闪存阵列。尽管如此，闪存仍远非完美，其他非易失性存储器类型，如铁电 RAM （FRAM），提供优于闪存的优势，包括低功耗操作、类似 DRAM 的每位访问和更快的访问时间。尽管 FRAM 成本较高且容量与闪存不匹配，但当低功耗和高性能是关键设计考虑因素时，您最好考虑 FRAM 技术。

　　首先让我们简要回顾一下 FRAM 的工作原理。FRAM 存储单元的构造与 DRAM 单元类似，每个位使用一个电容器和一个晶体管。然而，FRAM 单元需要一种铁电材料，该材料基本上可以存储极性状态，并且不需要刷新或电源来维持内容。迄今为止，由于多种原因，半导体制造商无法将 FRAM 扩展到 DRAM 和闪存所达到的水平。铁电材料是一种添加材料，在半导体制造过程中可能会出现问题。随着材料尺寸的减小，此类材料会失去铁电特性，因为较小的单元特征尺寸对于缩放到更高的密度很重要。

　　既然我们从不利因素开始，您可能会问为什么要使用 FRAM？答案是，除了制造问题之外，FRAM 在几乎所有方面都优于闪存。闪存在写入过程中需要高电压。该电压会影响归因于内存的功耗，并且还会导致较长的写入周期。FRAM 支持类似 DRAM 的访问时间和低功耗，并且不受重写周期数的限制。

　　其他闪存限制

　　Flash 也可能是程序员的后勤难题。您不能只重写闪存中的值。您通常必须将新值写入新闪存块中的某个位置，并在某个时候返回并擦除旧块以供重用——当然，在处理将所有重要数据从旧块移动到新区块。大多数 MCU 制造商都包含代码库来处理内务。尽管如此，就代码大小而言，闪存处理本质上是低效的。

　　FRAM 可以按位读取或写入。使用 FRAM 阵列的程序员不必担心单独的代码和数据存储器。程序员可以使用通用内存映射，甚至可以根据应用程序的需要动态地将内存部分分配给代码或数据。

　　如果 FRAM 密度可以接近闪存的成本或密度，我们可能会在一夜之间看到向 FRAM 的广泛迁移。相反，您需要确保了解 FRAM 中当前最先进的技术，并根据应用需要进行部署。

　　今天，您可以通过两种方式利用 FRAM 的优势。包括富士通半导体和 Ramtron 在内的公司生产的专用 FRAM IC 可以与基于闪存等不同存储技术的 MCU 结合使用。与此同时，德州仪器（TI）在一些 16 位 MCU 上集成了 FRAM。

　　FRAM 存储器 IC

　　让我们首先检查存储器 IC。富士通的产品线在MB85R1002ANC-GE1中突破了 1 Mbit 的容量IC，配置为 64k x 16，MB85R1001ANC-GE1配置为 128k x 8。这些 IC 支持 150 ns 访问时间。与 MCU 的接口是通过一个字节宽的并行连接。

　　富士通还提供了几种通过串行接口连接到 MCU 的 FRAM IC，从而最大限度地减少了存储器连接所需的引脚数。对于串行外围接口 （SPI） 链路，富士通在MB85RS256APNF-G-JNE1 IC 中提供最大容量为 256 kbits，配置为 32k x 8。SPI 接口以最高 25 MHz 运行，设置有效访问时间。在以 400 kHz 运行的MB85RC128PNF-G-JNE1中，基于 I²C 的 FRAM 最高为 128 kbits，配置为 16k x 8 。

　　Ramtron 提供更高容量的 FRAM IC，同时具有更快的访问时间。例如FM23MLD16-60-BGTR存储8Mbits，配置512k x 16。IC采用并联，支持60ns的访问速度。SPI 产品在具有 40-MHz 接口的FM25V20-DGTR中最高可达 2 Mbits。或者，您可以使用 3.4-MHz I²C 连接到 1-Mbit FM24V10-GTR。

　　将上述 FRAM IC 之一添加到 MCU 可以提供更高的系统级性能和更简单的编程模型。此外，虽然您将 IC 添加到物料清单中，但与使用片上存储器的 MCU 实现的系统相比，您仍可能实现更低的系统功耗。您可以选择具有小型片上闪存阵列的 MCU，并依靠 FRAM 存储器进行大部分操作 - 消除对闪存的耗电写入。

　　FRAM MCU

　　现在让我们讨论具有集成 FRAM 阵列的 MCU。这样做可以让您更好地了解低功耗优势，并设定您对当今使用有限片上 FRAM 的此类产品可以攻击的应用程序的复杂程度的预期水平。TI 在其MSP430

　　的一小部分上集成了 FRAM基于 16 位内核的 MCU 系列。TI 吹捧该器件能够满足类似 8 位的成本和低功耗要求。MSP430FR57xx FRAM MCU（图 1）的最高 FRAM 为 128 kb，配置为 16k x 8。与 MCU 一样，具有多种 I/O 功能和集成外设的 128 kb 产品有许多选项。

　　图 1：MSP430FR57xx FRAM MCU 集成了多达 128 kb 的非易失性存储器，该系列成员包括各种外设配置，包括集成多达 14 个通道的 10 位 A/D 转换器。

　　TI 提供额定时钟速度为 8 和 24 MHz 的 MCU，最多具有 32 条 I/O 线。部分产品包括 A/D 转换器，其MSP430FR5739IRHAR最高可达到 14 个 10 位通道。通常，该子系列中的所有 MCU 都包括 PWM、上电复位和看门狗定时器外设，接口的补充包括 SPI、I²C 和 UART。

　　FRAM 的真正优势体现在有功功耗规格中。FRAM 系列的功耗为 82 µA/MHz。许多基于 MSP430 闪存的产品在活动模式下使用的功率要高出两到三倍。公平地说，专用低压闪光灯系列的功耗降低了 50%，尽管这些产品的工作频率仅限于 4 MHz。

　　在您阅读本文时，TI 很可能已经可以购买其下一代 MSP430FR58xx 产品。这些产品将提供与现有基于 FRAM 的 MCU 类似的有功功率规格，但将添加与 FRAM 无关的元素，从而进一步降低待机功率。

　　评估套件

　　如果您不熟悉 FRAM 并想要评估该技术，TI 有几个套件可能会感兴趣。MSP-EXP430FR5739 FRAM 实验板（图 2）包括一个具有 128 kb FRAM 的 MSP430FR5739 MCU 。图 2 中所示的电路板具有许多外设，例如加速度计和热敏电阻，这些外设可能在典型应用中很有用。

　　图 2：MSP-EXP430FR5739 FRAM 实验板包括一个三轴加速度计、一个热敏电阻、LED、开关和一个用于面向连接的子卡的扩展连接器。

　　MSP- FET430U40A工具套件包包括一个闪存仿真器和编程器，具有讽刺意味的是，它不需要与双板载 MSP430FR5739 MCU 一起使用。但是，flash 工具还包括一个 USB 调试接口，可以方便地进行系统开发。同时，CC3000 Wi-Fi FRAM 模块是实验套件中的板和通过夹层连接器安装的 Wi-Fi 模块的组合。

　　如果您对闪存的其他替代品感兴趣，您可能还想研究磁阻 RAM （ MRAM ），它提供与 FRAM 类似的好处。目前还没有人提供具有集成 MRAM 的 MCU，但Everspin Technologies提供容量高达 16 Mbits 的专用 MRAM IC。

　　结论

　　Flash 一直是并将继续成为广泛应用领域的一项重要技术，特别是考虑到它以低成本制造的令人难以置信的密度。这并不意味着闪存总是正确的选择。您可能会发现 FRAM 可以降低系统功耗并提高性能，甚至可能在某些应用中降低系统成本。消除闪存内务工作会导致代码更简单，并且您可能会发现您的应用程序适合使用 FRAM 的更小的内存占用空间。