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非揮發性SRAM

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非揮發性SRAM(Non-volatile SRAM,nvSRAM)是一種非揮發性隨機儲存記憶體,它的操作方法和普通的靜態隨機存取記憶體(Static Random-Access Memory,SRAM)大同小異,但卻不需要供電來維持記憶體內部的值。雖然非揮發性SRAM在結構上跟一般的SRAM是相同的,但是一般的SRAM只能做讀和寫,而非揮發性SRAM則可以做出讀(read)、寫(write)、儲存(store)、召回(restore)等動作。

而要做出非揮發性SRAM的方法有很多種,其中一種方法是整個區塊或整個模組要斷電之前,把非揮發性SRAM內部的值藉由store來把值轉移到非揮發性記憶體上,等到區塊或模組上電後,在藉由restore來把之前存入的值取出來,此方法為使用硬體來做儲存的方法。還有許多其他種類的方法,如自動儲存(AutoStore)和軟體儲存(Software Store)皆是儲存的方法。

而非揮發性SRAM的應用層面很廣,因為不僅僅解決的SRAM無法永久保存值的缺點,並且透過使用非揮發性SRAM也可以達到低功耗的目的,同時也可以保有基本SRAM的高速運作。


基本原理

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目前非揮發性儲存實現方式主要有三種:Micro Power SRAM+後備電池+控制器、電池後備供電SRAM(BBSRAM, Battery Backup SRAM)、NVSRAM。在NVSRAM尚未問世前,前兩種記憶體是市場上的主流,因為其出現較早,是較傳統的應用,但其缺點也一直存在。以下將分別探討這三種方式的優缺點。

1. Micro Power SRAM+後備電池+控制器

Micro Power SRAM+後備電池+控制器的結構是由控制器判斷外部電源是否正常,假如出現異常,會切換到電池供電,以保存Micro power SRAM的數據。這種結構需要三個零組件,即Micro power SRAM、控制器和電池,其電路設計非常麻煩,且佔用很大的PCB空間,而電池所帶來的問題也很多。

2. BBSRAM

BBSRAM的結構整合了SRAM與控制器。與第一種結構相比,BBSRAM較為簡單,但其封裝體積非常大,也需要電池,這將為客戶帶來許多不便。首先,由於環保問題日益重要,內含電池的BBSRAM不符合RoHS標準;其次,電池也使加工生產更加複雜;而保存期限也是一個問題,一般BBSRAM號稱可以保存10年,但實際上一般僅有5年,甚至部份產品僅能保存1~2年。此外,還有一個最重要的問題,即電池泄漏。這個問題影響的不僅是BBSRAM本身,還會危及周圍電路!除了體積和電池的問題,還需考量性能,BBSRAM最快只能達到70ns,這對速度要求比較高的產品來說也會形成侷限。因此,業界極需一種新型的替代產品。

3. NVSRAM

NVSRAM相當於將一顆SRAM和EEPROM整合,外加一些控制部份。其大小和其他普通晶片一樣,大幅節省了PCB空間,其內部結構和工作方式將於後文詳細闡述。很明顯,前述帶電池的兩種方式的不便在NVSRAM裡完全不會看到,它符合RoHS標準,加工製程簡單,可保存長達100年。值得一提的是,NVSRAM速度最快可達15ns,大幅提高了產品性能。

NVSRAM採用SRAM+EEPROM方式,實現了無須後備電池的非揮發性儲存,晶片介面、時序等與標準SRAM完全相容。

NVSRAM的外部介面與SRAM相同,讀寫控制都是由晶片使能(CE)、讀取使能(OE)、寫入使能(WE)來控制,時序標準也與SRAM完全相同。NVSRAM與SRAM的最大不同之處在於NVSRAM需外接一個電容器(Vcap),當外部電源關斷時可透過電容器放電提供電源,將SRAM中的數據拷貝到EEPROM(圖5)。

NVSRAM通常在SRAM中進行作業,只有當外界突然斷電或認為需要儲存的時候才會把數據儲存到EEPROM中去,當檢測到系統上電後,會把EEPROM中的數據拷貝到SRAM中,使系統正常執行。

NVSRAM工作方式

NVSRAM有三種儲存方式:自動儲存、硬體儲存和軟體儲存;有兩種‘召回’(RECALL)作業方式:自動RECALL和軟體RECALL。

儲存是指數據從SRAM到EEPROM的過程,其過程包括兩個步驟:擦除之前EEPROM的內容;把目前SRAM的數據存到EEPROM中。然而,RECALL是指EEPROM到SRAM的過程。它也包括兩個步驟:清除之前SRAM的內容;把EEPROM的數據拷貝到SRAM中。

自動儲存 當檢測到外界電壓低於最小值時,會自動保存SRAM的數據到EEPROM中,其間所需電壓由外部電容器提供.

硬體儲存 NVSRAM有一個/HSB接腳,可以將/HSB接腳連接至CPU,由CPU來控制,當拉到低電平時進行儲存作業,會保存SRAM的數據到EEPROM中。

軟體儲存 軟體儲存是由一個預定義的六個連續SRAM讀取作業進行控制,以便將數據從SRAM保存至EEPROM中。

自動RECALL 當檢測到外界重新上電時,數據會自動從EEPROM拷貝到SRAM中。

軟體RECALL 軟體RECALL是由一個預定義的六個連續SRAM讀取作業進行控制,可將數據從EEPROM拷貝到SRAM中。

應用

NVSRAM適用於斷電時保存不能丟失的重要數據,主要應用領域包含: 1. 網路通訊設備

 NVSRAM適用於儲存初始化資訊、硬體版本資訊、警報資訊等,能在斷電時儲存現場資訊及異常資訊等,當重新上電後,像如路由器、高階交換機、防火牆等設備的重要數據不會丟失。

2. 列印設備類

 包含印表機、傳真機、掃描器等。特別是銀行印表機,可儲存賬號和交易資訊,當突然停電時,NVSRAM可以對已經完成但還未列印到存摺或清單上的數據進行儲存,等系統重新上電時印表機不會丟失此交易資訊,可以直接列印。
3. 工業控制應用
 包括工控板、鐵路/地鐵訊號控制系統、高壓電繼電器等。在這類產品中,作業過程和數據運算結果等資訊尤為重要,當斷電時,NVSRAM會儲存中間作業和運算結果,重新上電時這些結果會重新拷貝到SRAM中,不會丟失任何中間運算結果。

4. 汽車電子

 可應用在行駛記錄儀等裝置中,儲存汽車即時數據,即存放汽車發生事故前後的數據,可分析事故發生的原因和事故的責任。發生事故時,汽車系統很可能會沒有電源,若要把速度、剎車、轉向燈、車門、發動機溫度等一些重要的資訊記錄下來,就需要使用到NVSRAM。

5. 醫療設備

  如彩色超音波,可用於儲存啟動設置、醫院ID、模式設置等。

6. 伺服器

 如RAID伺服器。RAID是由多塊硬碟組成,需記錄文件的位置,NVSRAM可即時保存這些資訊,當出現故障時仍會保留這些資訊。

[1] [2]

  1. ^ NVSRAM:不再需要電池的非揮發性儲存方案. (原始内容存档于2019-08-05). 
  2. ^ title. [2019-08-11]. (原始内容存档于2020-10-31).