非挥发性SRAM

ZMD UL634H256SC

非挥发性SRAM（Non-volatile SRAM，nvSRAM)是一种非挥发性随机储存记忆体，它的操作方法和普通的静态随机存取记忆体(Static Random-Access Memory，SRAM)大同小异，但却不需要供电来维持记忆体内部的值。虽然非挥发性SRAM在结构上跟一般的SRAM是相同的，但是一般的SRAM只能做读和写，而非挥发性SRAM则可以做出读(read)、写(write)、储存(store)、召回(restore)等动作。

而要做出非挥发性SRAM的方法有很多种，其中一种方法是整个区块或整个模组要断电之前，把非挥发性SRAM内部的值借由store来把值转移到非挥发性记忆体上，等到区块或模组上电后，在借由restore来把之前存入的值取出来，此方法为使用硬体来做储存的方法。还有许多其他种类的方法，如自动储存(AutoStore)和软体储存(Software Store)皆是储存的方法。

而非挥发性SRAM的应用层面很广，因为不仅仅解决的SRAM无法永久保存值的缺点，并且透过使用非挥发性SRAM也可以达到低功耗的目的，同时也可以保有基本SRAM的高速运作。

基本原理

目前非挥发性储存实现方式主要有三种：Micro Power SRAM+后备电池+控制器、电池后备供电SRAM(BBSRAM, Battery Backup SRAM)、NVSRAM。在NVSRAM尚未问世前，前两种记忆体是市场上的主流，因为其出现较早，是较传统的应用，但其缺点也一直存在。以下将分别探讨这三种方式的优缺点。

1. Micro Power SRAM+后备电池+控制器

Micro Power SRAM+后备电池+控制器的结构是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，以保存Micro power SRAM的数据。这种结构需要三个零组件，即Micro power SRAM、控制器和电池，其电路设计非常麻烦，且占用很大的PCB空间，而电池所带来的问题也很多。

2. BBSRAM

BBSRAM的结构整合了SRAM与控制器。与第一种结构相比，BBSRAM较为简单，但其封装体积非常大，也需要电池，这将为客户带来许多不便。首先，由于环保问题日益重要，内含电池的BBSRAM不符合RoHS标准；其次，电池也使加工生产更加复杂；而保存期限也是一个问题，一般BBSRAM号称可以保存10年，但实际上一般仅有5年，甚至部份产品仅能保存1~2年。此外，还有一个最重要的问题，即电池泄漏。这个问题影响的不仅是BBSRAM本身，还会危及周围电路！除了体积和电池的问题，还需考量性能，BBSRAM最快只能达到70ns，这对速度要求比较高的产品来说也会形成局限。因此，业界极需一种新型的替代产品。

3. NVSRAM

NVSRAM相当于将一颗SRAM和EEPROM整合，外加一些控制部份。其大小和其他普通晶片一样，大幅节省了PCB空间，其内部结构和工作方式将于后文详细阐述。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，加工制程简单，可保存长达100年。值得一提的是，NVSRAM速度最快可达15ns，大幅提高了产品性能。

NVSRAM采用SRAM+EEPROM方式，实现了无须后备电池的非挥发性储存，晶片介面、时序等与标准SRAM完全相容。

NVSRAM的外部介面与SRAM相同，读写控制都是由晶片使能(CE)、读取使能(OE)、写入使能(WE)来控制，时序标准也与SRAM完全相同。NVSRAM与SRAM的最大不同之处在于NVSRAM需外接一个电容器(Vcap)，当外部电源关断时可透过电容器放电提供电源，将SRAM中的数据拷贝到EEPROM(图5)。

NVSRAM通常在SRAM中进行作业，只有当外界突然断电或认为需要储存的时候才会把数据储存到EEPROM中去，当检测到系统上电后，会把EEPROM中的数据拷贝到SRAM中，使系统正常执行。

NVSRAM工作方式

NVSRAM有三种储存方式：自动储存、硬体储存和软体储存；有两种‘召回’(RECALL)作业方式：自动RECALL和软体RECALL。

储存是指数据从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。

自动储存 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，其间所需电压由外部电容器提供.

硬体储存 NVSRAM有一个/HSB接脚，可以将/HSB接脚连接至CPU，由CPU来控制，当拉到低电平时进行储存作业，会保存SRAM的数据到EEPROM中。

软体储存 软体储存是由一个预定义的六个连续SRAM读取作业进行控制，以便将数据从SRAM保存至EEPROM中。

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

软体RECALL 软体RECALL是由一个预定义的六个连续SRAM读取作业进行控制，可将数据从EEPROM拷贝到SRAM中。

应用

NVSRAM适用于断电时保存不能丢失的重要数据，主要应用领域包含： 1. 网路通讯设备

 NVSRAM適用於儲存初始化資訊、硬體版本資訊、警報資訊等，能在斷電時儲存現場資訊及異常資訊等，當重新上電後，像如路由器、高階交換機、防火牆等設備的重要數據不會丟失。

2. 列印设备类

 包含印表機、傳真機、掃描器等。特別是銀行印表機，可儲存賬號和交易資訊，當突然停電時，NVSRAM可以對已經完成但還未列印到存摺或清單上的數據進行儲存，等系統重新上電時印表機不會丟失此交易資訊，可以直接列印。
3. 工業控制應用
 包括工控板、鐵路/地鐵訊號控制系統、高壓電繼電器等。在這類產品中，作業過程和數據運算結果等資訊尤為重要，當斷電時，NVSRAM會儲存中間作業和運算結果，重新上電時這些結果會重新拷貝到SRAM中，不會丟失任何中間運算結果。

4. 汽车电子

 可應用在行駛記錄儀等裝置中，儲存汽車即時數據，即存放汽車發生事故前後的數據，可分析事故發生的原因和事故的責任。發生事故時，汽車系統很可能會沒有電源，若要把速度、剎車、轉向燈、車門、發動機溫度等一些重要的資訊記錄下來，就需要使用到NVSRAM。

5. 医疗设备

  如彩色超音波，可用於儲存啟動設置、醫院ID、模式設置等。

6. 伺服器

 如RAID伺服器。RAID是由多塊硬碟組成，需記錄文件的位置，NVSRAM可即時保存這些資訊，當出現故障時仍會保留這些資訊。