非易失性铁电存储器(FRAM)芯片

16Kbit非易失性铁电存储器（FRAM）芯片FM25C160原

理及其应用

哈尔滨理工大学测控技术与通信工程学院周宝国The Principle of 16-Kbit Nonvolatile FRAM Chip FM25C160 and Its

Application

Zhou Baoguo

摘要：FM25C160是美国Ramtron公司生产的非易失性铁电介质读写存储器。它具有高速读写，超低功耗和无限次写入等特性。文中介绍了FM25C160的性能特点﹑管脚定义﹑内部结构和工作原理。给出了AT89C51单片机与FM25C160的接口电路图和对FM25C160的写操作流程图。

关键词：铁电存储器(FRAM)；FM25C160；SPI总线；写保护

1．概述

传统半导体存储器主要有两大体系：易失性存储器（volatile memory）和非易失性存储器（non-volatile memory）。易失性存储器主要包括静态随机存储器SRAM和动态随机存储器DRAM。非易失性存储器主要包括掩模只读存储器OTP RAM﹑可紫外线擦除可编程只读存储器EPROM﹑可电擦除可编程只读存储器EEPROM﹑可快速电擦除可现场编程的快闪存储器Flash Memory和用高能量锂电池作静态读写存储器后备电源的非易失静态读写存储器NVSRAM。

SRAM和DRAM等易失性存储器在没有电的情况下都不能保存数据。EPROM﹑EEPROM和Flash等非易失性存储器虽然在断电后仍能保存资料，但由于这类存储器均源于只读存储器（ROM）技术，因此都有不易写入的缺点。

FRAM是由美国Ramtron公司生产的非易失性铁电介质读写存储器。其核心技术是铁电晶体材料，这一特殊材料使得铁电存贮产品同时拥有随机存储器(RAM) 和非易失性存储器的特性。

铁电晶体材料的工作原理是: 当我们把电场加载到铁电晶体材料上，晶阵中的中心原子会沿着电场方向运动，到达稳定状态。晶阵中的每个自由浮动的中心原子只有两个稳定状态，一个我们记作逻辑0，另一个记作逻辑1。中心原子能在常温﹑没有电场的情况下停留在此状态达一百年以上。由于在整个物理过程中没有任何原子碰撞，铁电存储器(FRAM)拥有高速读写，超低功耗和无限次写入等特性。

FM25C160是16Kbit串行FRAM，它的主要特点如下：

●　采用2048×8位存储结构；

●　读写次数高达1百亿次；

●　在温度为55℃时，10年数据保存能力；

●　无延时写入数据；

●　先进的高可靠性铁电存储方式；

●　连接方式为高速串行接口（SPI）总线方式，且具有SPI方式0和3两种

方式；

●　总线频率高达5MHz；

●　硬件上可直接取代EEPROM；

●　具有先进的写保护设计，包括硬件保护和软件保护双重保护功能； ●　低功耗，待机电流仅为10μA ； ●　采用单电源+5V 供电；

●　工业温度范围：-40℃至+85℃； ●　采用8脚SOP 或DIP 封装形式； 基于以上特点，FM25C160非常适用于非易失性且需要频繁快速存储数据的场合。其应用范围包括对写周期时序有严格要求的数据采集系统和使用EEPROM 时由于其写周期长而可能会引起数据丢失的工业控制等领域。

2． FM25C160的引脚定义及功能框图

图1为FM25C160的引脚排列，图2为其内部功能结构框图。表1为FM25C160的引脚定义。

VSS SI

图1 FM25C160的引脚排列

图2 FM25C160 内部功能结构框图

表1 FM25C160引脚定义

引脚号

引脚名称 I/O 功能 1 /CS I 片选 2

SO O 串行数据输出

3 /WP I 写保护输入

4 VSS I 接地端

5 SI I 串行数据输入

6 SCK I 串行时钟输入

7 /HOLD I CPU 暂时中断对FM25C160的

操作 8

VCC

I +5V 电源

3． 工作原理

3.1存储器结构和串行外围接口（SPI ）总线

FM25C160是串行FRAM 。其内部存储结构形式为2048×8位，地址范围为000H ～7FFH ，采用16位地址寻址方式。寻址遵循SPI 协议，包括一个片选（允许总线上有多个器件），一个操作码和一个2字节地址。在实际的读写操作中，有效地址为11位，其中高5位地址为任意值。SPI 接口是一种时钟和数据同步的串行接口，使用4个引脚：时钟﹑数据输入﹑数据输出和片选。SPI 有4种工作方式，分别为方式0﹑方式1﹑方式2和方式3。FM25C160支持SPI 方式0和方式3（而FM25160只支持SPI 方式

0）

。使用时，在/CS 信号的下降沿，时钟线和数据线的状态即可确定FM25C160的工作方式。SPI

方式0

和方式3的时

序图如图3所示。

1）SPI 方式0 CPOL=0 CPHA=0

2）SPI 方式3 CPOL=1 CPHA=1 图3 FM25C160的工作方式

3.2操作指令集

FM25C160

的SPI 协议有操作指令来控制。当片选信号有效时（/CS=0）

，对FM25C160操作的第一个字节为命令字，紧接其后的是11

位有效地址和传送数

据。FM25C160操作指令集（如表2所示）共有6条指令，可分为3类：第一类为指令后不接任何操作数，该类指令用于完成某一特定功能。包括WREN和WRDI；

第二类为指令之后接一个字节，这类指令可用来完成对状态寄存器的操作。包括RDSR和WRSR；

第三类是对存储器进行读写操作的指令，该类指令之后紧接着的是存储器地址和一个或多个地址数据。包括READ和WRITE。

所有的指令，地址与数据都是以MSB（最高有效位）在前的方式传送。

表2 FM25C160操作指令集

指令指令格式操作

WREN 0000 0110B 设置写使能锁存器（允许写操作）

WRDI 0000 0100B 复位写使能锁存器（禁止写操作）

RDSR 0000 0101B 读状态寄存器

WRSR 0000 0001B 写状态寄存器

READ 0000 0011B 从FM25C160读出数据

WRITE 0000 0010B 数据写入FM25C160

3.3状态寄存器和写保护

FM25C160具有硬件保护和软件保护双重写保护功能。首先，在任何写操作之前，必须先用WREN指令对写使能锁存器置位；其次，在写允许的情况下，应使写入存储器的操作受控与状态寄存器；再次，还要对状态寄存器进行操作，这需要WRSR指令并要求/WP引脚为高电平。其状态寄存器的内容及格式如表3。

表3 状态寄存器

位7 6 5 4 3 2 1 0

名称WPEN 0 0 0 BP1 BP0 WEL 0 其中，位0和4～6恒为“0”，WPEN﹑BP1和BP0是写保护控制位，WEL 是写使能锁存器状态位。BP1和BP0为存储器存储区间（块）的写保护位，其保护的地址范围如表4所列。表5为WEL位﹑WPEN位和/WP引脚对写保护功能的影响。

表4 存储器块写保护地址范围

BP1 BP0 保护地址范围

0 0 无

0 1 600H～7FFH（上部1/4）

1 0 400H～7FFH（上部1/2）

1 1 000H～7FFH（全部）

表5 写保护条件

WEL WPEN /WP 受保护区未受保护区状态寄存器

0 ××保护保护保护

1 0 ×保护未保护未保护

1 1 0 保护未保护保护

1 1 1 保护未保护未保护

3.4对FM25C160的读写操作

在对FM25C160写数据时，一般先送WREN指令，后送WRITE指令。在