新一代非易失性存储器——NVSRAM的原理和应用

摘要： 本文介绍了针对高端存储应用的最新非易失性存储器NVSRAM。可以根据应用要求以及功能需要选择最佳的非易失性存储器架构。

关键词： Flash；EEPROM；SRAM；NVSRAM

概述

众所周知，在非易失性存储器领域，市场热度节节攀升。近日，SRAM家族又增加了新的成员—NVSRAM。NVSRAM 为 Non-volatile SRAM缩写，即为非易失性SRAM。本文将比较各类非易失性存储器，并介绍NVSRAM的特点和优势， NVSRAM 的应用以及工作方式。

非易失性存储器应用

目前非易失性方式主要有如下几种:
*Flash 或EEPROM + SRAM/SDRAM；
*FRAM；
*基于SRAM： BBSRAM， Micropower SRAM +后备电池，NVSRAM。

下面我们分别谈谈这几种方式的优缺点。

先谈谈Flash 以及EEPROM (+ SRAM/SDRAM)的方式，这是最原始也是目前比较普遍的方式，主要是由于其价格便宜，但其缺点也是显而易见的，就是速度和写入次数的限制。  还有一点比较容易忽视的地方，就是在这种应用中，由于Flash或EEPROM写入速度慢和写入次数限制的问题，数据不是实时写入其中，一般存储在SRAM/SDRAM中，当到一定的时间或检测到掉电后，再把数据写入EEPROM和Flash中，这样就有很大的潜在危险。就是当掉电时数据还没来得及存到Flash或EEPROM中，就很可能丢失重要的数据。

FRAM,铁电存储器，是一种新型的非易失性存贮方式，有一定的优点，例如，存储速度相对于Flash 或EEPROM快一些，在擦写次数上也有了很大的改进，但其不是标准SRAM接口，对于工程师来讲，假如不兼容其它产品 将为他的设计带来很多麻烦 ，并且FRAM目前是独家供货 ，又是摆在采购面前的一项难题。

对于基于SRAM的方式来讲，共同的特点就是，标准的SRAM接口，可以很方便的设计。但它们又各有特点，BBSRAM 实际上是把SRAM和后备电池包在了一起，我们可以把BBSRAM和 Micropower SRAM +后备电池这两种方式放在一起讨论。这两种方式是比较传统的应用方式，应用也比较广泛，缺点也是比较明显，我们把它们和NVSRAM 做一个比较(见表1)。

NVSRAM工作原理

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，图1为1M NVSRAM 内部框图。

图1 NVSRAM的内部框图

NVSRAM的外部接口与SRAM相同，读写控制都是由 片选(CE)，读使能(OE)，写使能(WE)来控制 ,时序标准也与SRAM完全相同。见图2。

图2 NVSRAM与SRAM接口兼容

NVSRAM表现在外部器件与SRAM不同的就是NVSRAM需要外接一个电容，当外部电源突然断掉时可以通过电容放电提供电源把SRAM里面的数据拷贝到EEPROM里面。见图3。

图3 NVSRAM外接电容示意图
 
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。
  
NVSRAM工作方式

NVSRAM有三种存储方式：自动存储，硬件存储和软件存储；有两种RECALL操作方式：自动RECALL和软件RECALL。

存储是指数据从SRAM到EEPROM的过程，其过程包括两个步骤：
1. 擦除之前EEPROM的内容；
2. 把目前SRAM的数据存到EEPROM中。

RECALL是指EEPROM到SRAM的过程。它也包括两个步骤：
1. 清除之前SRAM的内容；
2. 把EEPROM的数据拷贝到SRAM中。

以下就详细阐述这几种工作方式：
自动存储(AutoStore)：当检测到外界电压低于最小值时，会自动保存SRAM的数据到EEPROM中，其间所需要的电压由外界的电源提供。

硬件存储(Hardware STORE)：NVSRAM有一个/HSB 引脚，当拉到低电平时进行存储操作，会保存SRAM的数据到EEPROM中。

软件存储(Software STORE)：软件存储是由 一个预定义的六个连续的SRAM读操作控制数据从SRAM保存至EEPROM中。

自动RECALL：当检测到外界重新上电时，会自动从EEPROM中拷贝到SRAM中。

软件RECALL：软件RECALL是由 一个预定义的六个连续的SRAM读操作控制数据从EEPROM保存至SRAM中。

NVSRAM应用

NVSRAM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，下面主要介绍这种非易失性存储器的各类应用。

网络通讯类

路由器，高端交换机，防火墙
NVSRAM用于掉电时存储MAC地址列表，路由表，以及存储初始化信息，硬件版本信息等 ，当重新上电后路由器或交换机不需要重新学习MAC地址和路由表。

打印设备类

打印机，传真机，扫描仪
打印机：尤其是银行打印机，当突然停电时，NVSRAM可以对已经完成的交易，但还没来的及打印到存折或清单上的数据储存，等系统重新上电时打印机不会把此交易信息丢失，可以直接打印。

传真机：NVSRAM用于存储已经接收到但还没来得及打印的数据，假如传真机已经接收到了文件还没来得及打印就突然停电，此时的保存就尤为重要，NVSRAM会把这些内容保存，当重新上电时又会把这部份文件打印出来，使用户不会因为丢失重要文件而失去商机。

扫描仪：用于存储已经扫描了但还没来得及打印的数据的存储，这个作用尤其用于扫描大文件时，如果扫描后还没来得及打印，突然断电，NVSRAM会把这部分数据保存下来，重新上电开机后不需要再浪费时间重新扫描。

当重新上电时，掉电前的数据不会丢失，可以避免因掉电给客户造成的损失。

工业控制类

工控板，铁路信号控制系统，高压电继电器等
这类产品中，操作过程和数据计算结果等信息尤为重要，当掉电时，NVSRAM会存储中间操作和计算结果，重新上电时这些结果会重新拷贝到SRAM中，不会丢失任何中间计算结果。

汽车电子类

行驶记录仪
用于汽车实时数据的存储，即 存放汽车发生事故前后的数据，主要是用于分析事故发生的原因和事故的责任 。发生事故时,汽车系统很可能会没有电源，需要把速度,刹车，转向灯,车门，发动机的温度等一些重要的信息记录下来，就需要使用到NVSRAM。