什么是閃存卡/U盤/SD卡/FIFO/FRAM

在對U盤進(jìn)行讀取寫入后，切勿直接拔除（windows98例外），因?yàn)閁盤在98以上版本使用的時(shí)候，會把數(shù)據(jù)寫入緩存，如果這時(shí)候直接拔除可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。正確操作應(yīng)該是雙擊右下角系統(tǒng)托盤區(qū)的新硬件圖標(biāo)，先在系統(tǒng)里停止設(shè)備的運(yùn)行（即清除緩存，保存數(shù)據(jù)），然后再拔除。

SD卡(Secure Digital Card)是一種基于閃存(Flash Memory)的存儲卡，由于它具有安全性高，容量大，性能佳，環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，目前已有越來越多的消費(fèi)類數(shù)碼產(chǎn)品采用SD卡作為存儲介質(zhì)，如數(shù)碼相機(jī)、掌上計(jì)算機(jī)、MP3播放器等等。

SD (Secure Digital)卡是一種基于NAND型Flash Memory的存儲卡，它包含兩個(gè)基本部分:內(nèi)部控制器和存儲模塊，如圖1。存儲模塊用來存儲數(shù)據(jù)，SD卡本身內(nèi)嵌一個(gè)智能控制器用來實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的接口及控制數(shù)據(jù)在存儲模塊中的傳輸，智能控制器大大簡化了應(yīng)用時(shí)外圍的控制電路的設(shè)計(jì)。

圖1 SD卡結(jié)構(gòu)框圖

SD卡的主要特點(diǎn)：

①體積小。SD卡象郵票一樣大小，尺寸為32mmx 2 4mmx 2 .lm m，重量最大為2.0g ；

②采用2.7V －3..6V 電源；

③存儲容量從16M到1G，滿足用戶不同需求；

④同時(shí)支持SD和SPI兩種總線模式；

⑤時(shí)鐘速率在0-25MHz范圍內(nèi)可變；

⑥高達(dá)12.5M B/s的數(shù)據(jù)傳輸速率(使用4條并行數(shù)據(jù)線時(shí))；

⑦具有版權(quán)保護(hù)機(jī)制，符合安全級別最高的SDMI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；

⑧支持熱插拔；

⑨通過機(jī)械開關(guān)實(shí)現(xiàn)寫保護(hù)特性；

⑩非揮發(fā)性固態(tài)、掉電數(shù)據(jù)自動(dòng)保存。

FIFO( First In First Out)簡單說就是指先進(jìn)先出。由于微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，新一代FIFO芯片容量越來越大，體積越來越小，價(jià)格越來越便宜。作為一種新型大規(guī)模集成電路，F(xiàn)IFO芯片以其靈活、方便、高效的特性，逐漸在高速數(shù)據(jù)采集、高速數(shù)據(jù)處理、高速數(shù)據(jù)傳輸以及多機(jī)處理系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，以增加數(shù)據(jù)傳輸率、處理大量數(shù)據(jù)流、匹配具有不同傳輸率的系統(tǒng)為目的而廣泛使用FIFO存儲器，從而提高了系統(tǒng)性能。FIFO存儲器是一個(gè)先入先出的雙口緩沖器，即第一個(gè)進(jìn)入其內(nèi)的數(shù)據(jù)第一個(gè)被移出，其中一個(gè)存儲器的輸入口，另一個(gè)口是存儲器的輸出口。對于單片F(xiàn)IFO來說，主要有兩種結(jié)構(gòu)：觸發(fā)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)和零導(dǎo)向傳輸結(jié)構(gòu)。觸發(fā)導(dǎo)向傳輸結(jié)構(gòu)的FIFO是由寄存器陣列構(gòu)成的，零導(dǎo)向傳輸結(jié)構(gòu)的FIFO是由具有讀和寫地址指針的雙口RAM構(gòu)成。

FIFO存儲器是系統(tǒng)的緩沖環(huán)節(jié)，如果沒有FIFO存儲器，整個(gè)系統(tǒng)就不可能正常工作，它主要有幾方面的功能：

1）對連續(xù)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行緩存，防止在進(jìn)機(jī)和存儲操作時(shí)丟失數(shù)據(jù)；

2）數(shù)據(jù)集中起來進(jìn)行進(jìn)機(jī)和存儲，可避免頻繁的總線操作，減輕CPU的負(fù)擔(dān)；

3）允許系統(tǒng)進(jìn)行DMA操作，提高數(shù)據(jù)的傳輸速度。這是至關(guān)重要的一點(diǎn)，如果不采用DMA操作，數(shù)據(jù)傳輸將達(dá)不到傳輸要求，而且大大增加CPU的負(fù)擔(dān)，無法同時(shí)完成數(shù)據(jù)的存儲工作。

因此，選擇合適的存儲芯片對于提高系統(tǒng)性能很重要，在以往的設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用的是“乒乓型”存儲方式，這種方式就是采用兩片存儲器，數(shù)據(jù)首先進(jìn)入其中一片，當(dāng)數(shù)據(jù)滿時(shí)再讓數(shù)據(jù)進(jìn)入第二片存儲器，同時(shí)通過邏輯控制，將第一片存儲器中的數(shù)據(jù)取走，以此類推，兩片輪流對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。這種方式有著較明顯的缺點(diǎn)，首先是控制復(fù)雜，要有專門的邏輯來維護(hù)這種輪流機(jī)制;其次，數(shù)據(jù)流的流向要不斷變化，限制了數(shù)據(jù)流的速率，還容易產(chǎn)生干擾。從數(shù)據(jù)傳輸上說，緩存芯片容量越大，對后續(xù)時(shí)序要求就越低，可減少總線操作的頻次；但從數(shù)據(jù)存儲上說，就意味著需要開辟更大的內(nèi)存空間來進(jìn)行進(jìn)行緩沖，會增加計(jì)算機(jī)的內(nèi)存開銷，而且容量越大，成本也越高。因此，在綜合考慮系統(tǒng)性能和成本的基礎(chǔ)上，選擇滿足系統(tǒng)需要的芯片即可。

FRAM即鐵電存儲器。

FRAM利用鐵電晶體的鐵電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，鐵電晶體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。鐵電效應(yīng)是指在鐵電晶體上施加一定的電場時(shí)，晶體中心原子在電場的作用下運(yùn)動(dòng)，并達(dá)到一種穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)電場從晶體移走后，中心原子會保持在原來的位置。這是由于晶體的中間層是一個(gè)高能階，中心原子在沒有獲得外部能量時(shí)不能越過高能階到達(dá)另一穩(wěn)定位置，因此FRAM保持?jǐn)?shù)據(jù)不需要電壓，也不需要像DRAM一樣周期性刷新。由于鐵電效應(yīng)是鐵電晶體所固有的一種偏振極化特性，與電磁作用無關(guān)，所以FRAM存儲器的內(nèi)容不會受到外界條件（諸如磁場因素）的影響，能夠同普通ROM存儲器一樣使用，具有非易失性的存儲特性。

FRAM的特點(diǎn)是速度快，能夠像RAM一樣操作，讀寫功耗極低，不存在如E2PROM的最大寫入次數(shù)的問題；但受鐵電晶體特性制約，F(xiàn)RAM仍有最大訪問（讀）次數(shù)的限制。

FRAM存儲單元結(jié)構(gòu)：

FRAM的存儲單元主要由電容和場效應(yīng)管構(gòu)成，但這個(gè)電容不是一般的電容，在它的兩個(gè)電極板中間沉淀了一層晶態(tài)的鐵電晶體薄膜。前期的FRAM的每個(gè)存儲單元使用2個(gè)場效應(yīng)管和2個(gè)電容，稱為“雙管雙容”（2T2C），每個(gè)存儲單元包括數(shù)據(jù)位和各自的參考位，簡化的2T2C存儲單元結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示。2001年Ramtron設(shè)計(jì)開發(fā)了更先進(jìn)的“單管單容”（1T1C）存儲單元。1T1C的FRAM所有數(shù)據(jù)位使用同一個(gè)參考位，而不是對于每一數(shù)據(jù)位使用各自獨(dú)立的參考位。1T1C的FRAM產(chǎn)品成本更低，而且容量更大。簡化的1T1C存儲單元結(jié)構(gòu)（未畫出公共參考位）如圖2（b）所示。

FRAM的讀/寫操作：

FRAM保存數(shù)據(jù)不是通過電容上的電荷，而是由存儲單元電容中鐵電晶體的中心原子位置進(jìn)行記錄。直接對中心原子的位置進(jìn)行檢測是不能實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際的讀操作過程是：在存儲單元電容上施加一已知電場（即對電容充電），如果原來晶體中心原子的位置與所施加的電場方向使中心原子要達(dá)到的位置相同，中心原子不會移動(dòng)；若相反，則中心原子將越過晶體中間層的高能階到達(dá)另一位置，在充電波形上就會出現(xiàn)一個(gè)尖峰，即產(chǎn)生原子移動(dòng)的比沒有產(chǎn)生移動(dòng)的多了一個(gè)類峰。把這個(gè)充電波形同參考位（確定且已知）的充電波形進(jìn)行比較，便可以判斷檢測的存儲單元中的內(nèi)容是“1”或“0”。

無論是2T2C還是1T1C的FRAM，對存儲單元進(jìn)行讀操作時(shí)，數(shù)據(jù)位狀態(tài)可能改變而參考位則不會改變（這是因?yàn)樽x操作施加的電場方向與原參考位中原子的位置相同）。由于讀操作可能導(dǎo)致存儲單元狀態(tài)的改變，需要電路自動(dòng)恢復(fù)其內(nèi)容，所以每個(gè)讀操作后面還伴隨一個(gè)“預(yù)充”（precharge）過程來對數(shù)據(jù)位恢復(fù)，而參考位則不用恢復(fù)。晶體原子狀態(tài)的切換時(shí)間小于1ns，讀操作的時(shí)間小于70ns，加上“預(yù)充”時(shí)間60ns，一個(gè)完整的讀操作時(shí)間約為130ns。

寫操作和讀操作十分類似，只要施加所要的方向的電場改變鐵電晶體的狀態(tài)就可以了，而無需進(jìn)行恢復(fù)。但是寫操作仍要保留一個(gè)“預(yù)充”時(shí)間，所以總的時(shí)間與讀操作相同。FRAM的寫操作與其它非易失性存儲器的寫操作相比，速度要快得多，而且功耗小。

FRAM的讀寫時(shí)序：

在FRAM讀操作后必須有個(gè)“預(yù)充電”過程，來恢復(fù)數(shù)據(jù)位。增加預(yù)充電時(shí)間后，F(xiàn)RAM一個(gè)完整的讀操作周期為130ns，如圖3（a）所示。這是與SRAM和E2PROM不同的地方。圖3（b）為寫時(shí)序。