同时符合程式码及数据储存要求之单晶片存储器技术

无论是以ROM或RAM为基础的各式记忆体，实用上都有其不同的优劣处，使得产品设计时往往需要混用多种记忆体才能达到预定要求。若能以单一记忆体如FRAM符合所有要求，对于嵌入式或空间受限的设计来说有其利基。不同记忆体各有所长　造成设计困难
嵌入式系统设计工程师对记忆体的选择考量，通常是基于其储存内容，除了作为存档目的，最简单的划分是将可执行的程式储存于非挥发性记忆体，而将数据储存在挥发性记忆体中。近来硬碟和快闪记忆体被大量使用于图像和音乐的数据储存，但是对多数嵌入式系统来说，传统的混合记忆技术仍将被加以应用。

记忆技术从应用上来看，一般划分为执行程式码和数据储存两种任务。以ROM 为基础的技术，包括MASK ROM、OTP EPROM和NOR Flash，全部是非挥发性的，并且以程式码储存为主要应用。其他以ROM 技术所衍生的应用，包括NAND Flash 和EEPROM，均能作为非挥发性的资讯记忆体，不过这显然是种妥协做法，因为同时执行程式码和数据储存的效能是偏低的；Flash主要优点是提供低成本数据储存方案，而非易于使用或最佳的数据储存效能。

以RAM为基础的技术，如SRAM等，系作为资讯储存器，并且当Flash 太慢时可作为程式工作区。 虽然RAM 提供较佳的程式码和数据混合功能，但是普通的RAM 只能提供暂时的储存，不具备非挥发性。

对于考虑空间限制的应用，若需同时使用上述多种不同记忆体，其实是有些难度的，若能以单一记忆技术同时满足程式码执行和数据储存应用，将是最理想的状态，BB-SRAM或是FRAM（Ferroelectric RAM；铁电随机存取记忆体）则是可行的技术。以下将讨论在设计过程中，导入记忆体以满足不同需求的考量重点。  程式码储存的记忆体考量
在很多旧式系统里，程式码储存是在ROM或者OTP EPROM内，并且几乎不需要思考。记忆体是非挥发的，并且在系统里是不能被改变的，因此记忆体的容量、存取时间和工作电压等基本参数是主要的设计问题。

适合嵌入式系统的记忆体，需要在应用之际可以编程变更其变数，由于Flash编程困难，而程式码储存是一种唯读的环境，不须经常更新，所以动作参数和暂时的变数必须被储存在RAM 里。因为Flash记忆装置仍然难以在单一记忆体环境内升级，故被被认为是理想的程式码储存记忆体。

其实Flash作为资讯记忆体有其实际缺陷。下面列举的是一般程式码储存所需要的属性摘要，后面两点仅有某一种或者一些记忆装置能合乎系统需求。基本上，程式码记忆体的考量可被分类为︰ 非挥发性 适当的容量 存取时间 避免不小心被写入资料的能力 在应用中部分可编程的能力 可编程并可同时读取  数据储存的记忆体考量
在许多方面，数据储存的要求与程式码是相反的。数据储存需要灵活性和易于存取性，视数据类型可以是非挥发性或是易挥发性。

对很多应用来说，资讯储存器写入的功能至少和读取的功能一样重要。一个显着的例子是汽车里的事故碰撞记录器和智慧型座椅传感器。当一起碰撞事故发生时，器械操作数据被连续储存在一个循环的缓冲区里并立即储存，数据写入是频繁且迅速发生的，多数情况下数据从未被读取，通常经过一次汽车碰撞后它才会被读取一次。因此，写入才是重点，写入操作不应该需要复杂的协议或耗费很长的时间，较长的写入寿命也才能符合实际上无限次数据收集的需求。

术语＂Programming＂暗示增加新内容到Flash是比写入RAM 储存器来得困难。一般Flash需要复杂的写入协定、擦除和相对较长的写入週期，区段写入相对比较低速，而且资料必须先被擦除掉，这是颇为耗时的。EEPROM是传统非挥发性资讯储存器的选择，因为使用简单，但是它写入时间非常慢，并且与Flash一样需要一些写入週期。

相较之下，FRAM应用于非挥发数据储存有其优势。非挥发的FRAM写入速度与读取一样，并提供无限次的写入寿命，记忆体中不需写入演算法或协定即可作业，并且是可以位元组读写的。  同时符合程式码和数据储存要求的单晶片方案
欲在单一装置内混合程式码和数据应用，所使用的记忆体特性几乎是互相牴触的：程式码储存需要非挥发性记忆体，并且不需多次写入操作，所以写入速度慢没有问题，甚至写入越困难越好，以避免发生程式错误。相反的，数据记忆体它需要常常大量写入，写入速度则是越快越好，写入方式当然就越容易越好。

FRAM良好的写入性能使其优于Flash或EEPROM ，而非挥发特性则使其比需要电池支援的SRAM更好，因为属于非挥发，故可作为程式码记忆体。

Ramtron的FM22L16四百万位元（256K x 16）FRAM，是目前容量最大的FRAM，透过在数据收集系统内的复杂区块写入保护，能够指定8 个独立的区段作为唯读储存区，使其作为程式码储存时，系统不会偶然写入到可执行的程式码的任一记忆区段。
　

图一. 以TI德州仪器130 奈米FRAM制程所生产的Ramtron FRAM产品
　

FM22L16採用130奈米CMOS 制程生产，提供与SRAM完全相容的时序与位址传输侦测（ATD），被设计来直接替换标准的非同步SRAM，可提供无限次的读取与写入週期，允许存取每一位址达每秒100万次，且资料100年不消失。

此外，FRAM比起SRAM能减少电力消耗。例如以3伏特操作时，FM22L16比标准SRAM使用更低功耗与较少的工作电流，全速运作时是18mA，备用时是150uA，睡眠模式时则是5uA以下。由于是整块单晶片形式，因此FRAM比起SRAM也更为可靠。
　

图二. 4MB的Ramtron FRAM：FM22L16
　

FRAM的目标市场是数据收集和储存过程中，会因电力突然失去而消失资料之系统，例如机器人、网路应用、多功能印表机、 汽车导航系统等等。FM22L16配备监视电源的电压监控器，当VDD降至低于关键门槛时，将提供低讯号保护记忆内容，并于VDD 低时锁住记忆存取，以避免数据损坏。整体而言，FRAM可提供整合程式码和数据功能的最佳记忆体技术，并且不会受到如其他记忆体技术般的限制。