什么是闪存卡/U盘/SD卡/FIFO/FRAM

什么是闪存卡/U盘/SD卡/FIFO/FRAM

闪存卡（Flash Card）是利用闪存（Flash Memory）技术达到存储电子信息的存储器，一般应用在数码相机，掌上电脑，MP3等小型数码产品中作为存储介质，所以样子小巧，有如一张卡片，所以称之为闪存卡。根据不同的生产厂商和不同的应用，闪存卡大概有SmartMedia（SM卡）、Compact Flash（CF卡）、MultiMediaCard（MMC卡）、Secure Digital（SD卡）、Memory Stick（记忆棒）、XD-Picture Card（XD卡）和微硬盘（MICRODRIVE）这些闪存卡虽然外观、规格不同，但是技术原理都是相同的。

U盘即称为优盘，也称为闪存盘（书名）。是采用USB接口技术与计算机相连接工作。使用方法很简单只需要将U盘插入计算机的USB接口，然后安装驱动程序（一般安装购买时自带的驱动。但是一般的U盘在windows2000系统以上的版本（包括XP、2003）是不需要安装驱动而系统自动识别的，使用起来非常方便，而软盘则需要计算机配备软盘驱动器（即软驱）。

U盘的读取速度较软盘快几十倍至几百倍，U盘的存储容量最小的为6MB（现在市面是几乎绝种），最大的上GB。而软盘的容量只有1.44MB，就容量来说一个在天一个在地的下面。U盘不容易损坏，而软盘极容易损坏，不便于长期保存资料。

可能以前U盘出现的时候我们在某些问题上还离不开软盘，例如：系统崩溃，需要软盘来引导系统，对系统进行修复，而那时候U盘没有引导功能，所以那时候在这点上还离不开软盘。但是现在很多U盘都支持系统引导，并且引导速度较软盘更快，所以现在基本上软盘都属于淘汰产品了。

在对U盘进行读取写入后，切勿直接拔除（windows98例外），因为U盘在98以上版本使用的时候，会把数据写入缓存，如果这时候直接拔除可能导致数据丢失。正确操作应该是双击右下角系统托盘区的新硬件图标，先在系统里停止设备的运行（即清除缓存，保存数据），然后再拔除。

SD卡(Secure Digital Card)是一种基于闪存(Flash Memory)的存储卡，由于它具有安全性高，容量大，性能佳，环境适应性好等优点，目前已有越来越多的消费类数码产品采用SD卡作为存储介质，如数码相机、掌上计算机、MP3播放器等等。

SD (Secure Digital)卡是一种基于NAND型Flash Memory的存储卡，它包含两个基本部分:内部控制器和存储模块，如图1。存储模块用来存储数据，SD卡本身内嵌一个智能控制器用来实现与主机的接口及控制数据在存储模块中的传输，智能控制器大大简化了应用时外围的控制电路的设计。

图1 SD卡结构框图

SD卡的主要特点：

①体积小。SD卡象邮票一样大小，尺寸为32mmx 2 4mmx 2 .lm m，重量最大为2.0g ；

②采用2.7V －3..6V 电源；

③存储容量从16M到1G，满足用户不同需求；

④同时支持SD和SPI两种总线模式；

⑤时钟速率在0-25MHz范围内可变；

⑥高达12.5M B/s的数据传输速率(使用4条并行数据线时)；

⑦具有版权保护机制，符合安全级别最高的SDMI标准规范；

⑧支持热插拔；

⑨通过机械开关实现写保护特性；

⑩非挥发性固态、掉电数据自动保存。

FIFO( First In First Out)简单说就是指先进先出。由于微电子技术的飞速发展，新一代FIFO芯片容量越来越大，体积越来越小，价格越来越便宜。作为一种新型大规模集成电路，FIFO芯片以其灵活、方便、高效的特性，逐渐在高速数据采集、高速数据处理、高速数据传输以及多机处理系统中得到越来越广泛的应用。

在系统设计中，以增加数据传输率、处理大量数据流、匹配具有不同传输率的系统为目的而广泛使用FIFO存储器，从而提高了系统性能。FIFO存储器是一个先入先出的双口缓冲器，即第一个进入其内的数据第一个被移出，其中一个存储器的输入口，另一个口是存储器的输出口。对于单片FIFO来说，主要有两种结构：触发导向结构和零导向传输结构。触发导向传输结构的FIFO是由寄存器阵列构成的，零导向传输结构的FIFO是由具有读和写地址指针的双口RAM构成。

FIFO存储器是系统的缓冲环节，如果没有FIFO存储器，整个系统就不可能正常工作，它主要有几方面的功能：

1）对连续的数据流进行缓存，防止在进机和存储操作时丢失数据；

2）数据集中起来进行进机和存储，可避免频繁的总线操作，减轻CPU的负担；

3）允许系统进行DMA操作，提高数据的传输速度。这是至关重要的一点，如果不采用DMA操作，数据传输将达不到传输要求，而且大大增加CPU的负担，无法同时完成数据的存储工作。

因此，选择合适的存储芯片对于提高系统性能很重要，在以往的设计中经常采用的是“乒乓型”存储方式，这种方式就是采用两片存储器，数据首先进入其中一片，当数据满时再让数据进入第二片存储器，同时通过逻辑控制，将第一片存储器中的数据取走，以此类推，两片轮流对数据进行缓存。这种方式有着较明显的缺点，首先是控制复杂，要有专门的逻辑来维护这种轮流机制;其次，数据流的流向要不断变化，限制了数据流的速率，还容易产生干扰。从数据传输上说，缓存芯片容量越大，对后续时序要求就越低，可减少总线操作的频次；但从数据存储上说，就意味着需要开辟更大的内存空间来进行进行缓冲，会增加计算机的内存开销，而且容量越大，成本也越高。因此，在综合考虑系统性能和成本的基础上，选择满足系统需要的芯片即可。

FRAM即铁电存储器。

FRAM利用铁电晶体的铁电效应实现数据存储，铁电晶体的结构如图1所示。铁电效应是指在铁电晶体上施加一定的电场时，晶体中心原子在电场的作用下运动，并达到一种稳定状态；当电场从晶体移走后，中心原子会保持在原来的位置。这是由于晶体的中间层是一个高能阶，中心原子在没有获得外部能量时不能越过高能阶到达另一稳定位置，因此FRAM保持数据不需要电压，也不需要像DRAM一样周期性刷新。由于铁电效应是铁电晶体所固有的一种偏振极化特性，与电磁作用无关，所以FRAM存储器的内容不会受到外界条件（诸如磁场因素）的影响，能够同普通ROM存储器一样使用，具有非易失性的存储特性。

FRAM的特点是速度快，能够像RAM一样操作，读写功耗极低，不存在如E2PROM的最大写入次数的问题；但受铁电晶体特性制约，FRAM仍有最大访问（读）次数的限制。

FRAM存储单元结构：

FRAM的存储单元主要由电容和场效应管构成，但这个电容不是一般的电容，在它的两个电极板中间沉淀了一层晶态的铁电晶体薄膜。前期的FRAM的每个存储单元使用2个场效应管和2个电容，称为“双管双容”（2T2C），每个存储单元包括数据位和各自的参考位，简化的2T2C存储单元结构如图2（a）所示。2001年Ramtron设计开发了更先进的“单管单容”（1T1C）存储单元。1T1C的FRAM所有数据位使用同一个参考位，而不是对于每一数据位使用各自独立的参考位。1T1C的FRAM产品成本更低，而且容量更大。简化的1T1C存储单元结构（未画出公共参考位）如图2（b）所示。

FRAM的读/写操作：

FRAM保存数据不是通过电容上的电荷，而是由存储单元电容中铁电晶体的中心原子位置进行记录。直接对中心原子的位置进行检测是不能实现的。实际的读操作过程是：在存储单元电容上施加一已知电场（即对电容充电），如果原来晶体中心原子的位置与所施加的电场方向使中心原子要达到的位置相同，中心原子不会移动；若相反，则中心原子将越过晶体中间层的高能阶到达另一位置，在充电波形上就会出现一个尖峰，即产生原子移动的比没有产生移动的多了一个类峰。把这个充电波形同参考位（确定且已知）的充电波形进行比较，便可以判断检测的存储单元中的内容是“1”或“0”。

无论是2T2C还是1T1C的FRAM，对存储单元进行读操作时，数据位状态可能改变而参考位则不会改变（这是因为读操作施加的电场方向与原参考位中原子的位置相同）。由于读操作可能导致存储单元状态的改变，需要电路自动恢复其内容，所以每个读操作后面还伴随一个“预充”（precharge）过程来对数据位恢复，而参考位则不用恢复。晶体原子状态的切换时间小于1ns，读操作的时间小于70ns，加上“预充”时间60ns，一个完整的读操作时间约为130ns。

写操作和读操作十分类似，只要施加所要的方向的电场改变铁电晶体的状态就可以了，而无需进行恢复。但是写操作仍要保留一个“预充”时间，所以总的时间与读操作相同。FRAM的写操作与其它非易失性存储器的写操作相比，速度要快得多，而且功耗小。

FRAM的读写时序：

在FRAM读操作后必须有个“预充电”过程，来恢复数据位。增加预充电时间后，FRAM一个完整的读操作周期为130ns，如图3（a）所示。这是与SRAM和E2PROM不同的地方。图3（b）为写时序。