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。

      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。

      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。

      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.

      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。

      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WRITE 指令之后接2 字节的地址，这16 位地址中的高5 位为任意码，低11 位 地址为要写入的首字节数据的有效地址，16 位地址后面为所要写入的数据。若 输入的数据多于1 个，那么第一个数据之后的数据存储地址由FM25C160 内部 自动按顺序增加给出。当地址到达7FFH 时，地址计数器重置为000H。输入的 数据一般最高有效位（MSB）在前，最低有效位（LSB）在后。

      对FM25C160 进行读数据的过程与写操作相似。不同的是在读操作之前不 必象在写操作之前那样先送WREN 指令。

      4．应用举例

      FRAM技术的多功能性满足多种不同的应用。很明显，更高的读写次数和更 快的读写速度使得FRAM在可多次编程应用中比EEPROM性能更加优越。其应用 主要包括：数据采集和记录，存储配置参数(Configuration/Setting Data)，非易失 性缓冲(buffer)记忆和SRAM的取代和扩展等。 下面给出AT89C51单片机与FM25C160的接口电路图（图4）及对FM25C160 的写操作流程图（图5）。该应用系统可在FM25C160芯片的400H～7FFH地址范 围存放控制系统的重要参数，而将其余的000H～3FFH留给用户使用。

      5．结束语

      由于铁电存储器(FRAM)拥有高速读写，超低功耗和无限次写入等特性，同 时拥有随机存储器(RAM) 和非易失性存储器的特性，它是EEPROM 的理想替代 品。Ramtron 公司的FRAM 有串口系列和并口系列，同时在引脚和功能上和工业 标准的普通存储器兼容，因此具有很好的应用前景。