原创 NVSRAM：不再需要电池的非易失性存储方案

本文首先对目前市场上各种非易失性存储器进行了比较，其次对NVSRAM的工作原理和工作方式进行详细的阐述，同时，以Cypress NVSRAM为例描述了NVSRAM独有的特点，最后结合市场的应用对NVSRAM的应用进行介绍。
非易失性存储器比较
目前非易失性存储实现方式主要有如下三种：Micro Power SRAM+后备电池+控制器、电池后备供电SRAM(BBSRAM, Battery Backup SRAM)、NVSRAM。
在没有出现NVSRAM之前，前两种还是比较流行的，因为其出现较早，是比较传统的应用，但其缺点也是一直存在。下面我们分别谈谈这三种方式的优缺点。
1. Micro Power SRAM+后备电池+控制器
图1为Micro Power SRAM+后备电池+控制器方式的框图，由控制器判断外部电源是否正常，假如出现异常，会切换到电池供电，来保存Micro Power SRAM的数据，很容易看出，这里面需要三个元器件，即Micro Power SRAM、控制器和电池，电路设计麻烦，并且占用很大的PCB空间，而电池所带来的问题也很多(在下面的BBSRAM中有介绍)。
2. BBSRAM
BBSRAM就是把SRAM、控制器和电池做到了一起，见图2。BBSRAM比起第一种来说相对简单了一些，但其封装还是很大，同样占用较大的空间，并且电池也是必不可少的，这样就会给客户带来许多不便，首先，环保问题日渐重要，BBSRAM内部有电池，不符合RoHS标准；其次，由于电池，加工生产也比较麻烦；再者，保存年限也是一个问题，一般BBSRAM号称可以保存十年，但实际一般只能五年，甚至有的只有一两年；还有一个很重要的问题，我们也经常听到电池泄漏的问题，这个问题影响的不仅仅是BBSRAM本身，还会危及到周围的电路！除了体积和电池的问题，我们还需要考虑性能，BBSRAM最快只能达到70ns，这对速度要求比较高的产品来说也是一个局限。所以，BBSRAM亟待一种新型的替代产品。
3. NVSRAM
NVSRAM内部相当于一颗SRAM和EEPROM绑定到一起，外加一些控制部分，见图3。其大小与其它普通的芯片一样，大大地节省了PCB空间，其内部结构和工作方式在后文将详细阐述。很明显，前述带电池的两种方式的不便在NVSRAM里完全不会看到，它符合RoHS标准，加工工艺简单，可以保存长达100年。值得一提得是，NVSRAM速度最快可以达到15ns，极大地提高了产品的性能。

图1：Micro Power SRAM+后备电池+控制器的框图

图2：BBSRAM内部结构简图

图3：NVSRAM内部结构简图

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，其内部结构如图4所示。

图4：NVSRAM的芯片接口、时序等与标准SRAM完全兼容。

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。NVSRAM表现在外部器件与SRAM不同的就是NVSRAM需要外接一个电容(Vcap)，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(如图5所示)。

图5：NVSRAM的外部接口与SRAM大致相同，主要的不同就是需要外接一个电容

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的工作方式
NVSRAM有三种存储方式：自动存储、硬件存储和软件存储；有两种“召回(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：擦除之前EEPROM的内容；把目前SRAM数据的数据存到EEPROM中。然而，RECALL是指EEPROM到SRAM的过程。它也包括两个步骤：清除之前SRAM的内容；把EEPROM的数据拷贝到SRAM中。
自动存储 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部的电容提供，如图6所示。

图6：NVSRAM的自动存储工作方式

硬件存储 NVSRAM有一个/HSB引脚，可以将/HSB引脚连接至CPU，由CPU来控制，当拉到低电平时进行存储操作，会保存SRAM的数据到EEPROM中。

图7：NVSRAM的硬件存储工作方式

软件存储 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。

图8：NVSRAM的软件存储工作方式

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

图9：NVSRAM的自动RECALL工作方式

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拷贝到SRAM中。

图10：NVSRAM的软件RECALL工作方式

NVSRAM产品特点
Cypress的NVSRAM颇具代表性，下面就以该公司的NVSRAM产品为例介绍一下这种非易失性存储器的特性：
1. 目前可以提供的NVSRAM容量是1M(16Kb)，2007年第一季度会有4M的产品；
2. 封装有SOIC和SSOP两种可以选择，占用PCB空间小；
3. 访问速度为15~45ns，可提供产品高性能存储速度；
4. 无限次读写，通常操作都是在SRAM中进行的，延长了产品使用期限；
5. 系统可靠性高，片内的EEPROM可以保存数据100年；
6. 标准的SRAM接口，兼容其它产品，易于设计；
7. 可以提供实时时钟和时、分、秒、日历等时间信息，系统掉电以后可由外部电容或备用电池供电，继续保持片内时钟的运行。
NVSRAM的应用
NVSRAM主要用于掉电时保存不能丢失的重要数据，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：
1. 网络通讯类(路由器、高端交换机、防火墙等)
NVSRAM用于存储初始化信息、硬件版本信息、报警信息等，用于掉电时存储现场信息、异常信息等等，当重新上电后路由器或交换机重要的数据不会丢失。
2. 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，可以存储账号和交易信息，当突然停电时，NVSRAM可以对已经完成的交易，但还没来得及打印到存折或清单上的数据进行存储，等系统重新上电时打印机不会把这此交易信息丢失，可以直接打印。
传真机：NVSRAM用于存储已经接收到的但还没来得及打印的数据的存储，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，使用户不会因为丢视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，尤其当扫描大文件时，如果扫描后还没来得及打印就突然断电，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。
3. 工业控制类(工控板、铁路/地铁信号控制系统、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。
4. 汽车电子类(行驶记录仪等)
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，若要把速度、刹车、转向灯、车门、发动机温度等一些重要的信息记录下来，就需要使用到NVSRAM。
5. 医疗设备(如彩超)
用于存储启动设置、医院ID、模式设置等等。
6. 服务器类(RAID服务器)
RAID(Redundant Arrays of Inexpensive Disks)由于是由多块硬盘组成，需要记录文件的位置，NVSRAM可以及时保存这些信息，当出现故障时仍然会保留这些信息。
本文小结
工程师需要根据应用要求以及功能需要选择最佳的非易失性存储器。针对高端存储应用的最新非易失性存储器架构NVSRAM克服了现有非易失性存储器带电池的种种缺点，它封装很小，符合RoHS标准，加工工艺简单，可以保存长达100年的时间，同时在性能上也得到了很大的提升，访问速度由BBSRAM的70ns改善到了15ns。
作者：郑赞
高级应用工程师
Cypress存储和图像产品部

有需要请联系本博主。