2022年铁电存储器的原理及应用 .pdf

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1、15Microcontrollers & Embedded Systems摘要关键词介绍铁电存储器（ ） 的一般要领和基本原理，详细分析其读写操作过程及时序。将 与其它存储器进行比较，分析在不同场合中各自的优缺点。最后以 为例说明并行 与 系列单片机的实际接口，着重分析与使用一般的不同之处。铁电存储器原理存储技术 背景铁电存储技术早在 年提出， 直到 年美国 国际公司成功开发出第一个 的铁电存储器 产品，目前所有的 产品均由 公司制造或授权。最近几年， 又有新的发展，采用了工艺， 推出了 产品， 开发出 “单管单容”存储单元的 ， 最大密度可达 。 原理利用铁电晶体的铁电效应实现数据存储，铁电

2、晶体的结构如图所示。 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；当电场从晶体移走后，中心原子会保持在原来的位置。这是由于晶体的中间层是一个高能阶，中心原子在没有获得外部能量时不能越过高能阶到达另一稳定位置，因此 保持数据不需要电压，也不需要像一样周期性刷新。由于铁电效应是铁电晶体所固有的一种偏振极化特性，与电磁作用无关， 所以 存储器的内容不会受到外界条件（ 诸如磁场因素） 的影响， 能够同普通 存储器一样使用，具有非易失性的存储特性。 的特点是速度快，能够像 一样操作，读写功耗极低，不存在如的最

3、大写入次数的问题；但受铁电晶体特性制约， 仍有最大访问（ 读）次数的限制。存储单元结构 的存储单元主要由电容和场效应管构成，但这个电容不是一般的电容，在它的两个电极板中间沉淀了一层晶态的铁电晶体薄膜。前期的 的每个存储单元使用个场效应管和个电容， 称为 “双管双容”（ ） ， 每个存储单元包括数据位和各自的参考位，简化的 存储单元结构如图（）所示。年 设计开发了更先进的“单管单容”（）存储单元。的 所有数据位使用同一个参考位，而不是对于每一数据位使用各自独立的参考位。 的 产品成本更低，而且容量更大。简化的 存储单元结构（未画出公共参考位）如图 （）所示。的读 写操作 保存数据不是通过电容上的

4、电荷，而是由存铁电晶体中心原子的两个可能位置用来保存“ 1”和“0”图 铁电存储器晶体结构字线电极允许位线（数据位）位线（参考位）非易失性铁电电容位线电极允许字线非易失性铁电电容（）结构（）结构图 的存储单元结构名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 16储单元电容中铁电晶体的中心原子位置进行记录。直接对中心原子的位置进行检测是不能实现的。实际的读操作过程是：在存储单元电容上施加一已知电场（即对电容充电） ， 如果原来晶

5、体中心原子的位置与所施加的电场方向使中心原子要达到的位置相同，中心原子不会移动；若相反，则中心原子将越过晶体中间层的高能阶到达另一位置，在充电波形上就会出现一个尖峰，即产生原子移动的比没有产生移动的多了一个尖峰。把这个充电波形同参考位（ 确定且已知） 的充电波形进行比较，便可以判断检测的存储单元中的内容是“” 或 “” 。无论是 还是 的 ，对存储单元进行读操作时，数据位状态可能改变而参考位则不会改变（这是因为读操作施加的电场方向与原参考位中原子的位置相同）。 由于读操作可能 导 致 存 储 单 元 状 态 的 改 变 ， 需 要 电 路 自 动 恢 复 其 内容，所以每个读操作后面还伴随一个

6、“预充”（）过程来对数据位恢复，而参考位则不用恢复。晶体原子状态的切换时间小于 ， 读操作的时间小于 ， 加上“预充”时间，一个完整的读操作时间约为。写操作和读操作十分类似，只要施加所要的方向的电场改变铁电晶体的状态就可以了，而无需进行恢复。但是写操作仍要保留一个“预充”时间， 所以总的时间与读操作相同。的写操作与其它非易失性存储器的写操作相比，速度要快得多，而且功耗小。的读写时序在 读操作后必须有个“预充电”过程， 来恢复数据位。增加预充电时间后， 一个完整的读操作周期为 ，如图（）所示。这是与 和 不同的地方。图 （）为写时序。 与其它存储技术比较目前 公司的 主要包括两大类：串行 和并行

7、 。 其中串行 又分 两线方式的 系列和 三线方式的 系列。 串行 与传统的 、 型的 引脚及时序兼容，可以直接替换，如、公司的同型号产品 ； 但各项性能要好得多，性能比较如表 所列（存储器， 访问速度 ）。并行价格较高但速度快， 由于存在“预充”问题，在时序上有所不同，不能和传统的 直接替换。 产品具有和 优点， 读写速度快并可以像非易失性存储器一样使用。因铁电晶体的固有缺点， 访问次数是有限的，超出了限度， 就不再具有非易失性。 给出的最大访问次数是 亿次（ ） ， 但是并不是说在超过这个次数之后， 就会报废， 而是它仅仅没有了非易失性，但它仍可像普通一样使用。（）与 可以作为的第二种选择

8、。它除了 的性能外，访问速度要快得多。但是决定使用 之前， 必须确定系统中一旦超出对 的 亿次访问之后绝对不会有危险。（）与 从速度、价格及使用方便来看， 优于 ；但是从整个设计来看，还有一定的优势。假设设计中需要大约 的 ， 还要几百个字节用来保存启动代码的配置。CEA0 A14WED0 D7130ns70ns60ns40ns30ns10ns0ns片选有效时间“预充”时间5ns（）写时序130ns70ns60ns70ns10ns10ns5nsCEA0A14OED0D7片选有效时间“预充” 时间（）读时序图 读 写时序表 串行 和 性能比较供应商型号静态电流/A 写入电流/mA (100kHz

9、) 写入次数位元写入时间/ms 整个芯片写满时间 /s Ramtron FM24C16 10 0.15 10100.072 0.047 Atmel AT24C16 18 3 10610 1.3 ST ST24C16 300 2 10610 1.3 Microchip 24AA16 100 3 10610 1.3 Xicor X24C16 150 3 10610 1.3 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 17Micr

10、ocontrollers & Embedded Systems专题论述 TOPICAL DISCUSS非易失性的 可以保存启动程序和配置信息。如果应用中所有存储器的最大访问速度是 ， 那么可以使用片 完成这个系统， 使系统结构更加简单。（）与 适用于那些密度和价格比速度更重要的场合。例如 是图形显示存储器的最佳选择，有大量的像素需要存储，而恢复时间并不是很重要。 如果不需要下次开机时保存上次内容，使用易失性的 存储器就可以。 的作用与成本是 无法比拟的。事实证明， 不是 所能取代的。（）与 现在最常用的程序存储器是，它使用十分方便而且越来越便宜。程序存储器必须是非易失性的，并且要相对低廉，还要

11、比较容易改写。而使用 会受访问次数的限制。 与单片机接口下面介绍并行 与 的实际应用。预充电信号的产生在大多数的系统中，对存储器的片选信号CE 通常允许在多个读写访问操作时保持为低。但这对不适用，必须在每次访问时CE 由硬件产生一个正跳变。标准 核的一个机器周期包括 个时钟周期， 信号在每个机器周期中有效 两 次 ， 除 了 对 外 部 数 据 存 储 器 访 问 时仅有效一次。对外部存储器的读或写操作需要两个机器周期。快速型 如或 的一个机器周期仅需个时钟周期，而在一些新的，如的 中，一个机器周期为 个时钟周期，在任何一个机器周期中 信号都有效两次。尽管有这些不同，仍可以用 信号和地址片选来

12、产生可用作访问的CE 信号。要保证对 的正确访问，必须注意两点 ：第一， 的访问时间必须大于 ；第二， 的高电平宽度必须大于 。对于标准的，信号的宽度因不同厂家略有不同。一些快速的系列，如 的 ， 的 则更窄一些，如表所列。根据前面的介绍，要实现对 的正常操作，对于标准 来说， 主频不能高于 ；而对于高速型的 ，主频不应高于。与 的接口电路与 接口电路如图 所示。这里使用的 信号和由地址产生CE 的片选信号相“或” 来产生CE 的正跳变。片 的 存储器， 与 通过 相 “或” 作为 的片选， 取反后作为 的片选。所以， 的地址为 ， 的地址为。的RD信号与 PSEN 信号相“与”后作为 的输出

13、允许，所以 作为程序或数据存储器使用。当 跳接块在右边时， 与 用法相同；而 跳接在左边时，仅作为程序存储器。要保证代码不会意外地被改写，仅需断开 即可。需要注意的是，由于逻辑门电路都有 的延时时间， 在主频较高时应使用快速型逻辑芯片（系列）。结语 产品为我们提供了可使用的存储器的一种新选择， 在原来使用 的应用中表现会更出色，为表 标准 和快速 访问周期类型系统时钟/MHz 时钟周期/ns 读周期/ns 写周期/ns ALE 高电平宽度/ns 12 83 582 600 126 20 50 360 310 60 标准 8051/52 33 30 180 125 20 12 83 225 19

14、2 121 20 50 126 109 72 23 43.5 107 93 62 快速 8051/52 33 30 66 59 41 图 与 的接口电路J2P2.6P2.0 P0.7P0.0 A14A8D7D0P2.7 A14A8D7D0A7A0A7A0D7D0O7O0ALE CE CE CK WR PSEN RD OE WE WE OE 8051 /52FM1808 74F32 74F00 74F573 J1U1U2U3U4FM1808 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - -

15、第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 18基于复杂度的嵌入式软件功耗模型摘要关键词系统功耗是嵌入式系统的一个重要方面，功耗很大程度上取决于执行的软件。传统的底层指令级模型功耗分析方法虽然能比较准确地估算出嵌入式系统的功耗，但是这种方法所需要的时间过长。本文介绍一种高层嵌入式软件功耗分析估测方法，以对象函数所使用的算法的复杂度来对该函数构建功耗模型，从而根据此功耗模型能快速估算出该函数在各种输入情形下的功耗情况。算法复杂度嵌入式系统软件功耗模型 嵌入式软件功耗嵌入式系统的功耗主要来自微处理器的功耗与外围部件的功耗。虽然能量的消耗最终发生在底层硬件，但是微处理器的功耗很大程度

16、上取决于其所执行的软件。因此， 对嵌入式系统的功耗分析越来越多地转移到软件的角度上来，将能量的消耗过程视作软件执行过程。目前的嵌入式软件功耗分析大多数都是基于指令级功耗模型的分析方法。在这种模型中，嵌入式软件程序的功耗由单条指令的基本功耗开销、连续执行不同类型的指令造成的功耗开销以及额外的功耗开销（如流水线断流、 不命中）等构成 。 虽然这种底层的嵌入式软件功耗的分析方法的准确性较高，但是其分析过程需要在特定微处理器平台上将程序翻译成汇编指令，然后通过逐条指令功耗分析和综合因素考虑，最后才能估算出该程序在某种微处理器上执行的系统功耗，需要相当长的分析时间。 基于复杂度的嵌入式软件功耗模型针对指

17、令级功耗模型的瓶颈，本文介绍一种基于复杂度的嵌入式软件功耗模型， 利用现有条件能快速估算出某函数的功耗情况。在嵌入式软件应用中大量使用的多媒体计算和其它数据密集型计算中，经常用到诸如查找、排序、 矩阵运算等算法。由于这些算法的平均复杂度都是已知的，因此复杂度成为这些嵌入式软件程序的一个重要特征，同 样 也 能 够 成 为 分 析 和 估 测 嵌 入 式 软 件 功 耗 的 一 种 重要 依 据 。 基 于 复 杂 度 的 嵌 入 式 软 件 功 耗 模 型 以 具 体 函数 所 使 用 的 算 法 的 复 杂 度 为 建 模 的 参 数 ， 选 取 该 函 数的 典 型 输 入 ， 并 利 用

18、 现 有 指 令 级 模 型 分 析 方 法 获 得 该函数在这些典型输入情况下的功耗，利用回归法算出该函数软件功耗模型的系数，从而获得完整的该函数软件功耗模型，并可以用于快速估算该函数在任何输入情况下的软件功耗。在某函数的算法复杂度是已知的或较容易获得的情况下， 假设该函数的执行所需功耗与其复杂度有关，则可以使用一个线性公式来描述该函数的软件功耗：=pjjjPcE1?其中 为模型的参数，与函数的算法复杂度与函数的输入相关； 为相应的系数；是参数个数。构建模型的第一步是决定描述功耗模型的参数。参 数 的 选 择 与 具 体 的 函 数 所 使 用 的 算 法 密 切 相 关 。 几某些原来认为需要使用和 的应用系统找到一种新的途径。但是由于最大访问次数的限制，要成为理想的通用存储器，还有很长的路要走。参考文献，美国实验室公司技术资料，数据手册公司技术资料，（收稿日期：）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -