什么是閃存卡/U盤/SD卡/FIFO/FRAM

什么是閃存卡/U盤/SD卡/FIFO/FRAM

在對U盤進行讀取寫入后，切勿直接拔除（windows98例外），因為U盤在98以上版本使用的時候，會把數(shù)據(jù)寫入緩存，如果這時候直接拔除可能導(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，先在系統(tǒng)里停止設(shè)備的運行（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，目前已有越來越多的消費類數(shù)碼產(chǎn)品采用SD卡作為存儲介質(zhì)，如數(shù)碼相機、掌上計算機、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)嵌一個智能控制器用來實現(xiàn)與主機的接口及控制數(shù)據(jù)在存儲模塊中的傳輸，智能控制器大大簡化了應(yīng)用時外圍的控制電路的設(shè)計。

圖1 SD卡結(jié)構(gòu)框圖

SD卡的主要特點：

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同時支持SD和SPI兩種總線模式；

⑤時鐘速率在0-25MHz范圍內(nèi)可變；

⑥高達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)；

⑦具有版權(quán)保護機制，符合安全級別最高的SDMI標準規(guī)范；

⑧支持熱插拔；

⑨通過機械開關(guān)實現(xiàn)寫保護特性；

⑩非揮發(fā)性固態(tài)、掉電數(shù)據(jù)自動保存。

FIFO( First In First Out)簡單說就是指先進先出。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)傳輸以及多機處理系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

在系統(tǒng)設(shè)計中，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存儲器是一個先入先出的雙口緩沖器，即第一個進入其內(nèi)的數(shù)據(jù)第一個被移出，其中一個存儲器的輸入口，另一個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)流進行緩存，防止在進機和存儲操作時丟失數(shù)據(jù)；

2）數(shù)據(jù)集中起來進行進機和存儲，可避免頻繁的總線操作，減輕CPU的負擔(dān)；

3）允許系統(tǒng)進行DMA操作，提高數(shù)據(jù)的傳輸速度。這是至關(guān)重要的一點，如果不采用DMA操作，數(shù)據(jù)傳輸將達不到傳輸要求，而且大大增加CPU的負擔(dān)，無法同時完成數(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)首先進入其中一片，當(dāng)數(shù)據(jù)滿時再讓數(shù)據(jù)進入第二片存儲器，同時通過邏輯控制，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)進行緩存。這種方式有著較明顯的缺點，首先是控制復(fù)雜，要有專門的邏輯來維護這種輪流機制;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)存空間來進行進行緩沖，會增加計算機的內(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，晶體中心原子在電場的作用下運動，并達到一種穩(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高能階，中心原子在沒有獲得外部能量時不能越過高能階到達另一穩(wěn)定位置，因此FRAM保持數(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，但這個電容不是一般的電容，在它的兩個電極板中間沉淀了一層晶態(tài)的鐵電晶體薄膜。前期的FRAM的每個存儲單元使用2個場效應(yīng)管和2個電容，稱為“雙管雙容”（2T2C），每個存儲單元包括數(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)計開發(fā)了更先進的“單管單容”（1T1C）存儲單元。1T1C的FRAM所有數(shù)據(jù)位使用同一個參考位，而不是對于每一數(shù)據(jù)位使用各自獨立的參考位。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行記錄。直接對中心原子的位置進行檢測是不能實現(xiàn)的。實際的讀操作過程是：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到的位置相同，中心原子不會移動；若相反，則中心原子將越過晶體中間層的高能階到達另一位置，在充電波形上就會出現(xiàn)一個尖峰，即產(chǎn)生原子移動的比沒有產(chǎn)生移動的多了一個類峰。把這個充電波形同參考位（確定且已知）的充電波形進行比較，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，對存儲單元進行讀操作時，數(shù)據(jù)位狀態(tài)可能改變而參考位則不會改變（這是因為讀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，需要電路自動恢復(fù)其內(nèi)容，所以每個讀操作后面還伴隨一個“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)的切換時間小于1ns，讀操作的時間小于70ns，加上“預(yù)充”時間60ns，一個完整的讀操作時間約為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，而無需進行恢復(fù)。但是寫操作仍要保留一個“預(yù)充”時間，所以總的時間與讀操作相同。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的讀寫時序：

在FRAM讀操作后必須有個“預(yù)充電”過程，來恢復(fù)數(shù)據(jù)位。增加預(yù)充電時間后，F(xiàn)RAM一個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）為寫時序。