设计移动电子产品时如何选择快闪存储器

2006-05-07 15:49:35来源: 电子产品世界

当今无线电话。PDA等移动系统的设计人员,面对各种不同的使用要求,对如何选择合适的微处理器,存储器子系统,以及I/O器件,感到十分困惑。需要综合考虑进入市场的时限,成本,开发的工作量,尺寸,功耗,重量,性能等等一大堆限制和要求,结合各种各样器件的特长,进行优化搭配。由于各个项目的侧重点不同,项目的最佳解决方案也不可能相同。

一切运行算法的电子系统基本上都可以看作是一台有限状态机。处理器可以看作是下一状态的解码器,存储器可以看作是记录该状态机当前状态的寄存器。机器一通电,系统必须从非易失性存储器取得数据进行初始化;还需要得到向下一状态转换的全部程序编码。快闪存储器作为移动通信设备存储程序编码的存储器,作用非同小可。

系统的存储结构

目前快闪存储器的种类繁多,足够系统设计人员选择。应该根据所选定的通信系统,选择最例行的快闪存储器。目前移动通信系统的基本构造大体上分为三类:即PC模式,小型微处理器模式,和中型微处理器模式。

典型的PC模式中,处理器依靠存储在闪存中的BIOS进行启动。接着BIOS被复制到DRAM中去,以便加快执行的速度。随后操作系统和应用软件也先后被复制到DRAM中去,以便执行。PC模式的特点有三条。第一,启动速度慢;并且随着操作系统复杂程度的增加,启动的速度也更慢。对于消费类电子产品这样慢的启动过程,用户是无论如何也不能接受的,必须加以改进。第二,执行速度快。由于操作系统和应用软件都复制到DRAM,由RAM来执行可以达到最快的速度。当然这要求DRAM具有相当的大容量。此外,断电时需要先将机器的状态保存到非易失性存储器中去,因此该过程速度较慢。第三,功耗比较大。PC模式主要考虑的是达到最高的性能,没有考虑降低功耗。

PC模式使用的闪存比较少,非易失性存储主要依靠硬盘。尽管这种模式的性能最好,但是由于功耗大,重量重,启动慢,很难将它推广到比较小的电子产品方面去;特点是推广应用到移动的,由电池供电的电子产品中去。

小型微处理器模式

在小型嵌入式微处理器系统中,一般都是直接从非易失性存储器中取得程序编码来执行。如果有外部RAM存在,那么它一定是SRAM,因为,所需的RAM容量不大,不需要将编码映射到RAM中去,因此系统中也没有内置DRAM控制器。此外,SRAM的待机功率比较小,这一点对于依靠电池供电的系统非常重要。另外,作为非易失性存储器,闪存已经取代了EPROM。装置有小型微处理器的系统,通常都是直接从闪存中读取启动编码/OS/应用程序,并执行的,因此闪存内需要有随机存取的接口,所以只有NOR型的闪存才能用。小型微处理器系统的另一个特点是速度慢。并且由于目前闪存的速度还比SRAM慢得多,从闪存读取程序执行,还不能达到与SRAM相同的性能。许多消费类电子产品,如无线电话和有线电视机顶盒都是采用小型微处理器模式。这些机器对速度的要求不太高,所以虽然NOR型认存读取速度比DRAM慢得多,但不是限制当前系统性能的因素。

表1 NOR和NAND闪存比较

  NOR NAND
随机读取时间 80ns/16位字 15μs/528字节(页)
扇面读取速度 13.2兆字节/秒 12.7兆字节/秒
写入速度 0.2兆字节/秒 2.1兆字节/秒
擦除速度 0.08兆字节/秒 5.3兆字节/秒

中型微处理器模式

采用此种模式的系统为了追求良好性能,需要相当大容量的DRAM,用来存储互联网的浏览器程序和Windows CE操作系统。同时采用快闪存储器来存储OS,应用软件,和数据。这些系统在启动时从一个较小容量的NOR型闪存中取得引导程序。操作系统和应用软件是从大容量闪存复制到系统内存DRAM中,供执行时取用。数据则储存在大容量闪存中待用。

快闪存储器的类型

按照存储单元的基本结构,闪存可以分为NOR型和NAND型两类。组成它们的晶体管结构是相同的,和普通MOS晶体管相比,多了一个称为浮栅的,由多晶硅作成的控制极,周围由二氧化硅绝缘。两种类型快闪存储单元的区别只是连接方法不同。

简化了的NOR单元如图1所示,它和逻辑电路中的NOR门电路类似,存储单元的晶体管都并接到一个位线。任何一个晶体管导通,存储单元的位线都变为0。NAND存储单元如图2所示,单元中的晶体管都串接到一个位线。和NAND门电路相同,只有当单元中所有的晶体管都导通,位线才为0。

两类闪存各有所长。NOR型随机读取的速度比较快,擦除和写入速度 比较慢。因此适合用于程序的读取。一般NOR闪存的接口和EPROM相同,都有单独的地址,数据和控制线,便于直接读取;可以和微处理器连接,直接执行程序编码。

而NAND结构的闪存,相对来说读取速度较慢,而擦除和写入速度则比较快。因此NAND闪存往往用来传送整“页”的数据,即将存储阵列中的数据直接传至微处理器内部的容量达528字节的寄存器。闪存直接和8位数据总线连接,一次传一个字节。这样如果一次读出一个扇面,总的读取时间和NOR闪存相差不多。NAND闪存的集成比较高,主要设计用作固态文件存储,没有专门的地址线和数据线,只有控制线和8位I/O端口。和硬盘驱动器的IDE接口相似,当NAND闪存更新换代成倍增加容量时,对外物理连接可以保持不变。由于集成度高,写入和擦除速度快,NAND闪存适合用作大容量存储器。

未来的结构

近年来闪存的结构虽然变化不大,但是闪存的制造技术却一直在不断改进。主要表现在特征尺寸不断缩小。目前主要厂家采用的最先进工艺,特征尺寸是0.3微米。这个趋势还会继续。结果导致每片的存储容量增加,平均每位的价格不断下降。随着尺寸的缩小,为了保持晶体管内部场强不至于过大,工作电压也在不断降低。但是这并不一定在存储器外部表现出来。因为在片内安装了电压变换器,外加的电压和内部单元的工作电压并不完全一致。电源电压的降低可以节约功耗,对于移动电子产品是有利的。

闪存发展的一个重要方面是MLC(multilevelcell)多电平单元的出现。绝大多数存储器睢 位信息至少需要一个晶体管。在晶体管中两种状态(1或0)的区分依靠电位,一个阈电压区分了两个状态。而闪存区分状态是依靠浮栅上的电荷数量。如果能够区分四种电荷量,每只晶体管就可以用四个状态来存储两位信息。如果能够区分八种电荷量,也就是可以区分入种状态,那么每只晶体管就可以存储3位信息。这样,闪存的集成度就可以成倍增加,成本也可以成倍降低。但是由于片内除了存储单元以外还有许多辅助线路,效益并不是完全线性关系。此外,MLC的写入时间也增加了3到4倍。写入的数据能够保存的时间也有所降低。这是MLC的缺点。

其它特殊器件与特殊要求

随着闪存技术的日趋成熟,针对某些特殊应用进行优化,开发一些特殊用途的器件对于闪存来说也热在必行。NAND闪存主要是提高集成度,增大容量,降低成本,向固态大容量存储器发展。一些特殊用途的NOR闪存业已出现。

RWW(read-while-write)NOR闪存,或称边读边写存储器,是为手机储存电话号码,姓名等数据而开发的。可以为手机减少一个EEPROM芯片。RWW NOR闪存实际上是在一个芯片上安置两个或更多存储阵列(或者在同一封装内安放两个芯片),一个用于读取,另一个用于写入。

NOR认存的优眯是读取速度快,但它仍然需要继续提高。随着制造工艺的改进,特征尺寸的减小有助于速度的提高,然而电压的降低却影响了速度。此外,近来SRAM和DRAM都在发展同步器件,以提高速度;闪存也在步它们的后尘开发同步NOR闪存。

对于采用PC模式或中型微处理器模式的系统,需要将OS和应用软件从外存复制到内存,启动时间不可避免较长。一直在不断努力缩短启动时间。近来发现RAM中存储的数据和程序,70%以上是静态不变化的。如果将这70%的存储量,使用和SDRAM速度相同的同步闪存来取代,不但可以降低成本而且可以减少功耗。并且还可以缩短启动时间。如果沿着这个方向努力,可能实现随时开机随时可以工作。不但可以节约功耗,而且无需让机器等人,也无须让人等机器,也提高了效率。

采用小型微处理器模式的新型移动通信产品也在推动闪存改进技术。随着通信技术继续不断任何地方都能收到信息。这也要求无线电手机内置越来越多的功能,例如语音识别,视频接收处理。至于PDA和手机是否应合二为一?也许是,没有人希望用一个万能但却难于驾驭的四不像,虽然什么功能都有却并不常用。对于这些应用,电池的寿命是最重要事情。

下一代的移动通信装置和信息电子产品最为关键的是要具有强大的处理能力,并且能使用户用最简单的方式处理最复杂的操作。这需要智能化的软件,这些软件也将安装在下一代的闪存内。

结束语

闪存已经成为今日系统中的关键存储器。NOR闪存成功地取代了EPROM成为主要的非易失性存储器;而NAND闪存也已经成为最普遍使用的固态大容量存储器。此外,闪存还将依据市场的需求,不断地改进并向专用化发展。

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