CN101015135A - 射频识别和通信设备 - Google Patents

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CN101015135A CNA2004800410481A CN200480041048A CN101015135A CN 101015135 A CN101015135 A CN 101015135A CN A2004800410481 A CNA2004800410481 A CN A2004800410481A CN 200480041048 A CN200480041048 A CN 200480041048A CN 101015135 A CN101015135 A CN 101015135A
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Abstract

公开了一种可与设备读取器通信的低功率无源射频识别和通信设备，包括：RF前端，用于从设备读取器接收RF信号并向设备读取器发送RF信号，并且从设备读取器产生的RF信号中提取电力和数据；控制器，用于从RF前端接收数据并向RF前端发送数据；以及存储器，用于从控制器接收数据并向控制器发送数据。存储器可由控制器读取并写入，并且在读取和写入操作期间，可以分别利用第一和第二电压供给工作，该第一和第二电压供给具有不同的电压供给电平。

Description

射频识别和通信设备
技术领域
本发明一般涉及通信设备，尤其涉及射频(RF)识别和通信设备。
背景技术
以标签、发射机应答器或卡片形式实现的非接触式或RF识别和通信(RFID)设备，通常在很多识别目标对象的应用中使用。这些应用包括门禁控制、访问控制、存货控制、牲畜(live stock)跟踪、车辆遥感等。
为了有效应用，希望RFID设备能够小型化，这是因为这种设备通常以标签形式附于目标对象上或贴在目标对象上，以用于识别该目标对象。设备读取器通过询问来识别具有和目标对象相关的识别信息的设备，这一询问过程包括在设备和设备读取器之间的基于非接触式或RF的通信。为了实现最优的小型化，无源设备比有源设备更优选，所述有源设备是具有内部电源的设备。
无源设备从设备读取器发射的RF信号中产生电力，以作一次性或临时使用。因为这样产生的电力是有限的，且不能进行存储以备随后使用，因此，对于这种无源设备的设计而言寻求实现低功率内部操作是至关重要的。
为了实现低功率内部操作，通常需要无源设备提供具有不同电压供给电平的不同工作电压供给，以为这些设备内部的不同电路模块供电。这种无源设备通常还需要为不同电路模块的工作提供不同的时钟频率。无源设备的一般要求包括应具有读/写存储器和与设备读取器的通信能力。
针对RFID设备有许多传统方案，但是这些方案没有解决同时提供在RFID设备中进行低功率操作所需的不同的工作电压供给和时钟频率的需要。
在授予Naguleswaran的美国专利No.6,104,290中，提出了在发射机应答器中使用两个振荡器的非接触式识别和通信系统。发射机应答器在向设备读取器发送数据的发送操作中以较高速率工作，而在其他操作中以较低速率工作。通过这种方式，据说实现了节电操作。然而，该方案的缺点在于其具有两个振荡器，这会增大设备并增加设备成本。
在授予Yang等人的美国专利No.6,211,786中，提出了用于RFID标签的无电池电路以进行低频应用，在授予Vega等人的美国专利No.6,147,605中，提出了一种用于静电RFID设备的电路。这些方案都没有在各自的RFID设备中涉及出于节电目的的多电压供给-多时钟频率操作。
因此，需要一种具有不同工作电压供给和时钟频率的低功率无源RFID设备，以执行节电操作。
发明内容
根据本发明的一方面，公开了一种可与设备读取器通信的射频识别和通信设备，其包括：RF前端，用于从设备读取器接收RF信号并向设备读取器发送RF信号，并且从设备读取器产生的RF信号中提取电力和数据；控制器，用于从RF前端接收数据并向RF前端发送数据；以及存储器，用于从控制器接收数据并向控制器发送数据。存储器可由控制器读取并写入，并且在读取和写入操作期间，可分别利用第一和第二电压供给工作，该第一和第二电压供给具有不同的电压供给电平。
本发明的其他目的和优点将在下面的说明书中进行阐述，其根据描述将是显而易见的，或者可以通过实践本发明而理解。
本发明的目的和优点可以通过下文特别指出的设备和组合来实现和获得。
附图说明
附图包含于说明书并作为说明书的一部分，这些附图说明了本发明的优选实施例，并与前文的概括性描述和下文优选实施例中的具体描述一起用于说明本发明的原理，其中：
图1是根据本发明的实施例的RFID设备的框图；
图2是图1的RFID设备的RF前端模块的示意图；
图3A和3B是说明利用在图1的RFID设备的数字模块中实现的前向推导方法，在两阶段解码处理中对编码数据解码的时序图；
图4A和4B是实现图3A和3B的解码处理的流程图；以及
图5是图1的RFID设备中直流-直流转换器的电路图。
具体实施方式
下面描述本发明的实施例，其可解决对具有不同工作电压供给和时钟频率以进行节电操作的低功率无源RFID设备的需要。
下面参考图1到图5描述根据本发明实施例的低功率无源RFID设备100。RFID设备100是通常和RFID设备读取器结合使用以形成RFID系统的许多RFID设备中的一个例子。这种RFID系统通常执行基于识别的应用，其首先通过询问来识别附近的RFID设备，该询问是以下过程，包括：RFID读取器广播询问信号，并作为响应从被询问的RFID设备接收具有和目标对象相关的识别信息及其他数据的信号。
下面参考图1描述RFID设备100的整体结构，图1是描述RFID设备100的电路模块的框图。每个电路模块进行内部配置，并结合其他模块用于无源、低功率操作，其目的是便于RFID设备100的最优的小型化实现。由此，RFID设备100可以实现为如本领域的技术人员所公知的芯片、标签或者卡片。实施例中使用了300MHz到3GHz的范围中的RF频率。
在RFID设备100中，天线102接收由RFID设备读取器(未示出)产生并广播的询问或下行链路信号，该信号被发送给电力产生模块104、106、108，以从询问或下行链路信号的载波中产生所需的工作电力，所述载波例如是2.45GHz的载波。电力产生模块104、106、108包括整流器104、调节器106和电容器组108。
在如RFID设备100的无源设备中，这些模块对其主设备的可操作性是至关重要的，因为所产生的工作电力将被提供给RFID设备100中所有的其他模块。电压电平和RFID设备100与设备读取器间的距离成比例，因此，如果距离很短，所产生的很高的电压会破坏RFID设备100的一些模块。整流器104提供整流电压，调节器106将整流电压保持在安全工作极限内，因此通常使产生的工作电压Vdd保持较低(约1伏)，以使RFID设备100内的功耗最小。电容器组108通过分接工作电压Vdd，为产生的电力提供临时或短期存储。工作电压Vdd用于为存储器110之外的所有电路模块供电，而存储器110则利用更高的工作电压供给进行工作。
直流-直流转换器112连接到电力产生模块104、106、108以获取工作电压Vdd，并从中产生更高的工作电压供给以供存储器110进行存储器操作。直流-直流转换器112为读取和写入操作输出更高的电压Vdd-h，通过编程其电压电平分别是工作电压Vdd的两倍或三倍。由于同样的原因，逻辑转换器(logic translator)114也连接到直流-直流转换器112，并作为用于在RFID设备100的其他数字电路模块与存储器110之间桥接逻辑电平的接口。在读取操作中，逻辑转换器114将从存储器110接收的数据的逻辑电平从Vdd-h(例如，＝2×Vdd)转换为Vdd；而在写入操作中，则将发送给存储器110的数据的逻辑电平从Vdd转换为Vdd-h(例如，＝3×Vdd)。这使得其他电路模块可以以最低的可用工作电压供给即Vdd进行工作，而不是使用最高的工作电压，因此使RFID设备100的总体功耗最小。
调制解调器116连接到天线102，用于利用下行链路数据解调含有输入RF载波的下行链路信号，下文将下行链路数据称之为data2bb，调制解调器116还用于利用上行链路数据把同一输入RF载波调制成上行链路信号，下文将上行链路数据称之为data2rf。优选地，用于下行链路和上行链路通信的通信协议包括OOK/ASK调制和曼彻斯特编码，而上行链路通信则是通过经由反向散射技术利用data2rf调制输入RF载波而实现，其中反向散射技术包括通过改变阻抗而反射输入载波。
数字模块118对RFID设备100执行功率管理，并控制逻辑切换，以使RFID设备100的瞬时功耗最小。数字模块118中的功率管理逻辑模块(未示出)负责仅对操作的每一阶段中必需模块进行供电。数字模块118还执行和/或处理防冲突逻辑、命令控制和解释、曼彻斯特编码-解码以及存储器控制逻辑。
数字模块118连接到直流-直流转换器112，用于通过经由控制信号nR_W控制直流-直流转换器112的开启/关闭切换以及较高电压Vdd-h的电压电平来执行功率管理。数字模块118还连接到调制解调器116，用于分别处理下行链路data2bb和上行链路data2rf，并经由控制信号Cont_mod控制调制解调器116的开启/关闭切换，以及控制逻辑转换器114从存储器110读取并向存储器110写入。数字模块118还连接到时钟发生器122，用于经由控制信号Cont_clk控制具有不同频率的不同时钟的产生。
RFID设备100中的其他电路模块包括：加电复位电路120，其在较宽范围的电压供给条件下，为数字模块118和时钟发生器122产生复位脉冲；以及低功率电流参考124，其为数字模块118和时钟发生器122产生nA量级的偏置电流。RFID设备100还包括时钟发生器122，其是可编程的低功率振荡器，分别为数字时钟118、通过逻辑转换器114为存储器110、以及为直流-直流转换器112产生MHz量级的时钟f1、f2和f3。在与RFID设备读取器通信且RFID设备100在读取操作中访问存储器110期间，为数字模块118和直流-直流转换器112提供相同的时钟频率，即f3＝f1，而存储器110不需要时钟，即f2＝0。在存储器的写入操作期间，为数字模块118和存储器110提供相同的时钟频率，即f2＝f1，而为直流-直流转换器112提供f1的一部分例如四分之一的时钟频率，即f3＝f1/4。通过这种方法，时钟发生器122中只需要一个振荡器来产生f1，而其他时钟频率则取决于f1，因此，在不同的情况下，例如在对存储器110进行读取和写入操作的情况下，为各种电路模块提供不同的时钟频率。
利用可编程的直流-直流转换器112和逻辑转换器114，RFID设备100可以使功耗最小，同时保证工作于不同工作电压供给下的各种电路模块之间的正确逻辑电平。利用可编程的时钟发生器122，RFID设备100可以使功耗最小并降低元件数目，同时满足RFID设备100中不同电路模块的不同时钟要求。
如图2所示，RFID设备100的RF前端包括三个主要元件，即整流器104、解调器204和调制器208。解调器204和调制器208形成调制解调器116，整流器104实现为整流设备202，其作为一个虚拟电池，以通过整流下行链路信号来为RFID设备100供电。解调器204检测OOK调制的下行链路信号的包络，以便由诸如数字模块118的基带电路模块来进行处理。调制器208通过利用反向散射方法来调制上行链路CW波。
采用传统的倍压器作为整流设备202的整流核心，其包括二极管D1和D2，其中D1的阴极连接到D2的阳极，以提供作为整流设备202的整流核心的倍压器。
通过D1和D2的连接点处的电容器Cx将下行链路信号提供给整流设备202，旁路电容器Cl连接到整流器核心的输出端，以对输出端的电压进行平滑处理，从而提供工作电压Vdd。
通过将二极管D3的阳极连接到D1与D2之间的连接点处而构成解调器204，从而使得解调器204可以分接要检测的下行链路信号。通过适当地选择连接到D3阴极的电阻器R2和电容器C2，其中电阻器R2和电容器C2并联，可将解调器204的RC时间常数选择为使得解调器204滤掉输入RF载波，而跟踪基于OOK的下行链路信号的包络。R2可以用电流源(未示出)代替，以排出D3与R2和C2之间的连接点处的电流。关闭电流源以在空闲时间节省电流消耗。
根据本实施例，所有的二极管都是利用配置为二极管的MOS器件来实现。
检测到的基带信号通过具有内置滞后的低频比较器206被进一步转换为二进制电平。比较器206的一个输入端连接到参考电压ref(例如，＝Vdd/2)，参考电压ref可以通过电阻分压器产生，比较器206的另一输入端连接到D3的阴极。在比较器206的输出端得到二进制编码信号，其被提供作为数据信号data2bb。
调制器208包括电阻器R1和开关Sw，通过开关Sw，传送上行链路信号中要发送给RFID设备读取器的data2rf，开关Sw和R1串联，R1的自由端连接到D3的阴极。通过导通/切断在R1处加载的额外的DC实现了反向散射。
设计了芯片外印制偶极子天线，并将其用作天线102，以和RF前端的复合输入阻抗匹配。
下面参考图3A、3B、4A和4B描述数字模块118中实现的曼彻斯特解码方法。
当前有很多传统的曼彻斯特解码方法。这些传统方法中的一些包括使用时钟恢复电路来使输入数据和时钟同步。利用曼彻斯特解码方法，以下简称为解码方法，可以不使用时钟恢复电路或信号-边缘检测装置来解码数据。
解码方法包括两阶段的处理，即，如图3A和3B以及图4A和4B所示，阶段1用于脉冲宽度同步，阶段2用于数据解码，其中图3A和3B是描述编码数据的例子的时序图，而图4A和4B是分别举例说明阶段1和2的实现方式的流程图。
在阶段1，检测编码数据中的同步比特，以提供用于低脉冲和高脉冲宽度的参考。在阶段2，接着利用这些参考对编码数据中的数据比特进行解码，以获得解码数据，以下称为Data[0…(DataSize-1)]。DataSize的值反应解码数据中数据比特的数目，其中前四个比特用作例子中的同步比特。
在图4A所示的阶段1中，从步骤402开始，其中处理data2bb中的数据流序列，当在步骤404中检测到data2bb中的编码数据从1变到0时，在下一步骤406中使初始化为0的计数器Cntr增加。然后，在步骤408中将计数器值Cntr和整数值2比较，如果不匹配，则在步骤410中再次将计数器值Cntr和整数值4比较。如果在步骤410中匹配，则阶段1结束，阶段2开始；如果不匹配，则处理循环回到步骤404。
本例中，在步骤410使用了整数值4，这是因为同步比特的数目设为4个。同样，在步骤408使用了整数值2，这是因为其是为在测量第二个同步比特以提供参考情况下的低脉冲和高脉冲宽度而设计。
如果在步骤408中匹配，处理进入步骤412，如图3A所示，其中根据RFID设备100的系统和内部时钟，测量第二同步比特的低脉冲宽度A。在下一步骤414中，检查测量到的脉冲宽度是否在如包括多个最大值的Max Width预定义的扩展时间内保持为低，其中如果判断为真，则将测量值视为是损坏的，并在步骤416将其丢弃，之后处理回到步骤402，在该步骤中处理data2bb中数据流的下一个序列。
如果在步骤414判断为假，即，如果测量的脉冲宽度没有在扩展时间内保持为低，则处理进入步骤418，其中检测到data2bb中的编码数据从0变到1，在下一步骤420中，如图3B所示，根据RFID设备100的时钟，测量第二同步比特的高脉冲宽度B。然后，在步骤422检查该测量值，如果测量的脉冲宽度在如Max Width预定义的扩展时间内保持为高，则在步骤424将其丢弃，之后处理回到步骤402以处理data2bb中数据流的下一个序列。否则处理回到步骤404。
在如图4B所示的阶段2中，从步骤452开始，在步骤454进行阶段2的初始化，其中将解码数据Data[0…(DataSize-1)]设为值0，并且将可变采样模式设为高采样。DataSize表示解码数据中的比特数。当采样模式设为高采样时，该处理测量编码数据比特的高脉冲宽度，当采样模式设为低采样时，该处理测量编码数据比特的低脉冲宽度。
在步骤456，比较计数器值Cntr和DataSize，如果计数器值Cntr较低，则处理进入下一步骤458。否则处理结束。
在步骤458，检查采样模式是否被设为高采样，如果匹配，则步骤460中的处理测量当前高脉冲宽度C，其包括从当前编码数据比特由低到高的转换开始至下一个由高到低的转换为止的当前编码数据比特的高脉冲宽度。然后在步骤462比较该测量值和(B+(A/2))，如果C大于(B+(A/2))，则在步骤464为当前编码数据比特赋值“1”，如图3A和3B所示。然后在下一步骤466，将采样模式设为低采样，随后，在步骤468，使计数器增加。然后在步骤470，将测量值和MaxWidth中的各个最大值比较，如果测量值超过最大值，则在步骤472将其丢弃，之后处理回到步骤402，用于处理data2bb中数据流的下一个序列。如果测量值没有超过最大值，则处理回到步骤456。
如果在步骤462，C不大于(B+(A/2))，则在步骤472，为当前的编码数据比特赋值“0”，并在下一步骤468中将采样模式设为高采样。随后，处理继续执行计数器增加步骤468。
如果在步骤458未匹配，则在步骤476，该处理测量当前的低脉冲宽度D，其包括从当前编码数据比特由高到低的转换开始至下一个由低到高的转换为止的当前编码数据比特的低脉冲宽度。然后在步骤478比较该测量值和(A+(A/2))，如果D大于(A+(A/2))，则在步骤480为当前编码数据比特赋值“0”，如图3A和3B所示。然后在下一步骤482，将采样模式设为高采样，随后，在步骤468，使计数器增加。然后在步骤470，将测量值和Max Width中的各个最大值比较，如果测量值超过最大值，则在步骤472将其丢弃，之后处理回到步骤402，用于处理data2bb中数据流的下一个序列。如果测量值没有超过各个最大值，处理回到步骤456。
如果在步骤478，D不大于(A+(A/2))，则在步骤484，为当前的编码数据比特赋值“1”，并在下一步骤486，将采样模式设为低采样。随后，处理继续执行计数器增加步骤468。
在解码方法中，处理的阶段2通过前向推导技术进行解码，该前向推导技术包括对在当前编码数据比特的转换处开始的低脉冲或高脉冲宽度的测量，从而测量当前编码数据比特的比特间隔的至少后半部，以利用阶段1期间所测量的低和高脉冲宽度的参考来确定下一个编码数据比特值。
参考图5进一步详细描述直流-直流转换器112，其用于提供一种防止RFID设备100中出现瞬态电流冲击的方法。如同进行低功率操作对于诸如RFID设备100的无源设备至关重要一样，既便整体平均电流消耗很低，如果RFID设备100中的电路模块消耗大量的动态电流，这也是不可接受的。当在加电过程中打开电路模块时通常会发生上述现象，并且极大的冲击电流被用来为这些电路模块中的内部节点充电。
在功率管理概念中，其通常涉及在实际操作过程中打开/关闭电路模块以节省电力，这可能会成为引起设备由于出现大的电压降而发生故障的因素。
直流-直流转换器112包括电流钳位电路(current-clampcircuitry)502和电荷泵电路504。电流钳位电路502被设置在用以接收整流电压(Vdd)的整流器104的输出端和电荷泵电路504之间。电流钳位电路502用于在电荷泵电路504的工作过程中控制电流。
如图5所示，电流钳位电路502采用其输出端互相连接的两个PMOS开关，一个PMOS开关是具有高导通电阻(Ron)的506，另一个PMOS开关是具有低Ron的508。这两个开关由逻辑模块510控制并相应地切断/接通。当不访问存储器110时，这两个开关都被切断。
逻辑模块510进行切换，以便当电流钳位电路502开始工作时，只有高Ron PMOS 506导通。这限制了可以从整流器104获得的电流量。在逻辑模块510中存在内部计数器(未示出)，其开始计数32个时钟周期，之后，低Ron PMOS 506导通以进行正常操作(EOC＝1)。
RFID设备100的优点是多方面的。和RF前端相关的优点如下：
(i)采用和用于基带电路的主流技术兼容的、并允许在单个硅芯片上实现完全集成方案的低成本的标准CMOS工艺实现了RF前端。在传统方案中，由高性能的外部肖特基二极管构建RF前端，并在CMOS工艺中实现基带电路。虽然肖特基二极管提供了最好的RF性能，但是这些器件不能在标准CMOS工艺中获得。混合方法由于结构庞大而导致高成本，这抵消了RFID技术内在的附加值，并阻碍了RFID的大规模应用。
(ii)通过省掉外部元件和相关的组装费用，降低了费用和形成因素(form factor)。
(iii)具有更可靠的性能，因为：1)IC技术提供了比离散器件更好的器件匹配。2)避免了关键RF部件的组装失配。
(iv)具有集成片上天线以形成整体RFID解决方案的可能性。
和电流钳位电路502相关的优点如下：
(i)通过电流钳位可对这些模块进行适当的功率管理，而不必担心重新加电过程中出现高冲击电流。
(ii)附加电路小，主要为两个开关和一些触发器(当前技术中数字部分很小)。
(iii)在常规操作中逻辑模块没有电流消耗(纯数字的)，因此不浪费额外的电力。
(iv)不使用时，附加的电路可以作为从电荷泵上分离的纯补充电路(clean supply)。
通过上述方式，公开了一种低功率无源RFID设备，其具有不同的工作电压供给和时钟频率，以用于进行节电操作。尽管只公开了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员参考这些公开内容可以显而易见的是，在不脱离本发明的范围和精神的情况下可以进行多种改变和/或修改。例如，曼彻斯特解码方法可用于输入数据占空比的所有范围。而且，在电流钳位电路中，数字计数器的值是取决于实施方式的变量。数字逻辑可用许多其他方法实现，只要实现该延迟以导通强晶体管即低Ron PMOS即可。

Claims (20)

1、一种可与设备读取器通信的射频识别和通信设备，包括：
RF前端，其接收来自所述设备读取器的RF信号并且向所述设备读取器发送RF信号，以及从接收的RF信号中提取电力和数据；
控制器，其接收来自所述RF前端的数据并向所述RF前端发送数据；以及
存储器，其接收来自所述控制器的数据并向所述控制器发送数据，其中，所述存储器可由所述控制器读取和写入，并且在读取和写入操作期间可以分别利用第一和第二电压供给工作，所述第一和第二电压供给具有不同的电压供给电平。
2、根据权利要求1所述的设备，其中所述RF前端将从所述接收的RF信号中提取的电力传送给电源转换器，该电源转换器提供所述第一和第二电压供给。
3、根据权利要求2所述的设备，其中所述电源转换器包括提供第一和第二电压的电荷泵电路。
4、根据权利要求3所述的设备，其中所述电源转换器包括限制从所述RF前端到所述电荷泵的电流的电流钳位电路。
5、根据权利要求4所述的设备，其中所述电流钳位电路可被控制为当所述存储器不进行读取和写入操作时，断开从所述RF前端到所述电荷泵的电流。
6、根据权利要求3所述的设备，其中所述电荷泵电路可被控制为提供所述第一和第二电压供给。
7、根据权利要求1所述的设备，其中所述第二电压供给的电压供给电平高于所述第一电压供给的电压供给电平。
8、根据权利要求1所述的设备，还包括逻辑转换器，其将所述控制器可读并可写的数据转换为具有逻辑电平的数据，以分别接收来自所述存储器的数据并向所述存储器发送数据。
9、根据权利要求8所述的设备，其中所述逻辑转换器可采用所述第一和第二电压供给工作。
10、根据权利要求1所述的设备，其中所述RF前端包括：
整流器，其从所述接收的RF信号中提取电力；
解调器，其检测所述接收的RF信号的包络；以及
调制器，用于调制由所述控制器响应于所述接收的RF信号而产生的基带信号，以发送给所述设备读取器。
11、根据权利要求10所述的设备，其中所述整流器用MOS器件实现。
12、根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器处理从所述RF前端接收的数据。
13、根据权利要求12所述的设备，其中所述控制器对从所述RF前端接收的数据执行两阶段处理。
14、根据权利要求13所述的设备，其中所述控制器对从所述RF前端接收的数据执行同步和解码阶段的处理。
15、根据权利要求14所述的设备，其中所述控制器使用前向推导技术执行所述解码处理。
16、根据权利要求15所述的设备，其中所述控制器通过测量脉冲宽度来执行所述同步处理，以利用计数来识别参考低脉冲宽度和参考高脉冲宽度。
17、根据权利要求16所述的设备，其中所述控制器通过测量脉冲宽度来执行所述解码处理，以在当前计数中识别低脉冲宽度和高脉冲宽度之一。
18、根据权利要求17所述的设备，其中所述控制器通过将低脉冲宽度和高脉冲宽度中被识别的一个与所述参考低脉冲宽度和所述参考高脉冲宽度进行比较来执行所述解码处理，以在下一个计数中确定“1”或“0”。
19、根据权利要求1所述的设备，还包括时钟发生器，其可被编程用于提供多个时钟频率。
20、根据权利要求19所述的设备，其中所述存储器可由所述控制器读取并写入，并且在读取和写入操作期间，可以分别利用所述时钟发生器提供的所述多个时钟频率中的第一和第二时钟频率进行操作，所述第一和第二时钟频率是不同的。
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