1 Pamięci Ernest Jamro Kat. Elektroniki AGH

2 Pamięci - klasyfikacja ROM (Read Only Memory) - nieulotne (non-volatile) –ROM (programowany podczas produkcji układu scalonego) –PROM (programowane jednorazowo u użytkownika) –EPROM (Erasable PROM – możliwa ale uciążliwa wielokrotna programowalność –EEPROM (Electrically Erasable and Programmable ROM) –Flash (błysk-awiczne EEPROM) RAM (Random Access Memory), Ulotne Pamięci specjalizowane

3 Pamięci ROM Pamięci ROM powstają bezpośrednio w procesie produkcji układu scalonego dlatego mają następujące cechy: Stan pamięci określony na poziomie produkcji układu scalonego Brak możliwości zmiany zawartości pamięci Tanie w produkcji ale wymagają dużych nakładów (wykonania w milionach sztuk – drogie przy małej liczbie sztuk) Długi okres produkcji – kilkanaście tygodni. Pamięci coraz rzadziej stosowane

4 Schemat pojedynczej komórki ROM

5 Wybieranie 2 wymiarowe Sposób wybierania np. klawiszy, komórek pamięci, itd

6 Dwuwymiarowe wybieranie komórki pamięci

7 Pamięci PROM Programmable Read Only Memory: Programowanie pamięci wykonywane jest przez użytkownika w specjalnym urządzeniu programującym. Programowanie następuje poprzez przepalenie tzw. bezpieczników (ang. fuse) i jest nieodwracalne. Pamięci te są dzisiaj rzadko stosowane

8 Pamięci EPROM Erasable Programmable ROM Kasowanie pamięci wymaga użycie promieni UV i specjalnego okienka kwarcowego – co zdecydowanie podraża koszt produkcji. Czas kasowania to około 30min. Pamięci dzisiaj raczej nie stosowane

9 Tranzystor w EPROM Swobodna bramka (floating gate)

10 Pamięci EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Możliwość elektrycznego wielokrotnego kasowania pamięci. Łatwość kasowania, nie potrzeba użycia promieni UV Kasowanie całej pamięci lub pojedynczego sektora Liczba kasowań około 10 000 - 100 000 razy

11 Programowanie i kasowanie EEPROM

12 Pamięć EEPROM Flash Struktura działania podobna do EEPROM. Bardzo szybki proces kasowania (rzędu 1ms) w porównaniu z pamięcią EEPROM (rzędu 15min.). Szybkość pracy pamięci Flash polega głównie na kasowaniu całego bloku na raz a nie jak to ma miejsce w pamięci EEPROM pojedynczych bajtów. Potrzebny tylko 1 tranzystor na 1 bit pamięci

13 Flash – kasowanie i programowanie

14 Struktura NOR i NAND pamięci Flash a)Struktura NOR b) NAND

15 Flash: NOR i NAND W strukturze NAND napięcia wszystkich (oprócz jednej) bramek WL 0 -WL 15 są na tyle wysokie że tranzystory szeregowe zawsze przewodzą. Natomiast napięcie jednej bramki jest takie, że stan pracy tranzystora zależy od zaprogramowania. Cechy struktury NOR: Swobodny odczyt, ale wolny zapis i kasowanie Preferowane jako pamięci o dostępie swobodnym (BIOS, ROM procesora) Cechy struktury NAND Preferowany odczyt całego bloku danych Tańsze w produkcji od NOR (zajmują mniej powierzchni krzemu) Szybszy zapis i kasowanie Liczba kasowań około 10 razy większa niż w przypadku NOR Preferowany dla pamięci masowych (pendrive, karty CF/SD, SSD- Solid State Drive)

16 Wielopoziomowe pamięci Flash Multiple Level Cell (MLC) Alternatywa: Single Level Cell (SLC)

17 Pamięci Flash i Interface szeregowy: I 2 C (Inter Integrated Circuit) – 2 przewody (100, 400kHz, 3.4MHz) (Philips) SPI (Serial Peripherial Interface) – 3 przewody (1-50MHz) (Motorola) Microwire – 3 przewody (1-3MHz) (National Semiconductor)

18 Przykład pamięci ROM w VHDL library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; entity rom is port ( ADDR : in std_logic_vector(5 downto 0); DATA : out std_logic_vector(19 downto 0)); end rom; architecture syn of rom is type rom_type is array (63 downto 0) of std_logic_vector (19 downto 0); signal ROM : rom_type:= (X"0200A", X"00300", X"08101", X"04000", X"08601", X"0233A", X"00300", X"08602", X"02310", X"0203B", X"08300", X"04002", X"08201", X"00500", X"04001", X"02500", X"00340", X"00241", X"04002", X"08300", X"08201", X"00500", X"08101", X"00602", X"04003", X"0241E", X"00301", X"00102", X"02122", X"02021", X"00301", X"00102", X"02222", X"04001", X"00342", X"0232B", X"00900", X"00302", X"00102", X"04002", X"00900", X"08201", X"02023", X"00303", X"02433", X"00301", X"04004", X"00301", X"00102", X"02137", X"02036", X"00301", X"00102", X"02237", X"04004", X"00304", X"04040", X"02500", X"02500", X"02500", X"0030D", X"02341", X"08201", X"0400D"); begin data

19 Pamięci ROM (Read Only Memory) RAM (Random Access Memory) Statyczne (SRAM) -Asynchroniczne -Synchroniczne Dynamiczne (DRAM) -Asynchroniczne (historia) - Synchroniczne SDRAM, DDR, DDR2, DDR3, RAM-BUS (RDRAM), XDR-DRAM Specjalizowane FIFO (First-In First-Out) LIFO (Last-In First-Out – stos) CAM (Content-Addressable Memory) LUT (Look-Up Table) (pamięć ROM/RAM)

20 Podstawowa komórka pamięci SRAM Przerzutnik bistabilny – dwa inwertery Przerzutnik RS – przejście w inny stan poprzez zwarcie Linia wiersza Linia kolumny (bit B) Linia kolumny (bit B) U’ DD T1T1 T5T5 T3T3 T2T2 T6T6 T4T4 Przerzutnik RS

21 Alternatywna (już nie stosowana) postać komórki SRAM Linia wiersza Linia kolumny (bit B) Linia kolumny (bit B) U’ DD T1T1 RDRD T3T3 T2T2 RDRD T4T4

22 Synchroniczny zapis, asynchroniczny odczyt

23 Dwukierunkowa transmisja danych po jednym przewodzie

24 Schemat Blokowy układ: AS7C4096 512k×8bit

25 Tablica prawdy

26 Przykładowe przebiegi

27 Parametry czasowe pamięci

28 Przykładowe przebiegi (zapis)

29 Przykład zapisu i odczytu pamięci

30 Zerowanie pamięci „0” Licznik n –bitowy Clk DIN RAM 2 n x1 WE O A[n:0] wejście taktujące Brak resetu umożliwiającego zerowanie całej pamięci – konieczne jest zerowanie wszystkich komórek po kolei

31 Łączenie Pamięci, pamięć duża 128x1 z 4 pamięci 32x1 Użycie multipleksera A[6:0] A[4:0] A[6:5] dekoder 2-na-4 A0:A4 D WE D D D D Bloki pamięci RAM32x1 O O O O Multiplekser O D0 D1 D2 D3 S[1:0] E WE

32 Łączenie pamięci Zwiększenie szerokości magistrali danych (preferowane) Zwiększenie szerokości magistrali adresowej

33 Pamięci synchroniczne SRAM - odczyt t CHWEX t OEVCH t OHCEX t CEVCH t CHCEX Adres n Adres n + 1Adres n + 2 t CHCH t CH t CL t CHAX t AVCH t WEVCH Hi - Z t CHQX1 t CHQX2 t CHQV Dane z komórki o adresie n+1 CLK A 0 – A 16 t CHQZ CE OE WE Dane wyjściowe Dane z komórki o adresie n

34 Synchroniczny zapis, asynchroniczny odczyt

35 Synch. zapis / asynch. odczyt - VHDL process ( ) begin if ( 'event and = '1') then if ( = '1') then (conv_integer( )) ; end if; end process; (conv_integer( ));

36 Pamięci synchroniczne SRAM - zapis t CHWEX t CEVCH t CHCEX Adres n Adres n + 1Adres n + 2 t CHCH t CH t CL t CHAX t AVCH t WEVCH CLK A 0 – A 16 CE WE t CHDX DnDn D n + 1 t DVCH Dane

37 Niezależne magistrale danych do zapisu i odczytu Read before Write lub Write Before Read SSRAM, opóźnienie - 1 clk

38 SSRAM - Zapis i odczyt jedna magistrala danych

39 Pamięć - VHDL library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; entity rams_01 is port (CLK : in std_logic; WE : in std_logic; ADDR : in std_logic_vector(9 downto 0); DI : in std_logic_vector(15 downto 0); DO : out std_logic_vector(15 downto 0)); end rams_01; architecture syn of rams_01 is type ram_type is array (1023 downto 0) of std_logic_vector (15 downto 0); signal RAM: ram_type; signal ADDR_Q: std_logic_vector(9 downto 0); -- write before read begin process (CLK) begin if CLK'event and CLK = '1' then if WE = '1' then RAM(conv_integer(ADDR))

40 Synchroniczny zapis, asynchroniczny odczyt

41

42 Pamięci wieloportowe Dwa takie same niezależne interface’y do pamięci – ale ta sama pamięć!

43 Pamięć quasi dwuportowa? Jeden port do zapisu synchronicznego, dwa porty do odczytu asynchronicznego

44 1 port zapis, 2 porty odczyt - VHDL process ( ) begin if ( 'event and = '1') then if ( = '1') then (conv_integer( )) ; end if; end process; (conv_integer( ));

45 Konflikty w pamięci dwuportowej Zapis na dwóch portach pod ten sam adres – konflikt (stan nieokreślony) – Adr= A2

46 Komórka pamięci wieloportowej Pamięć jednoportowadwuportowa czteroportowa

47 Optymalizacja komórki pamięci dwuportowej Literatura: Area-Efficient Dual-Port Memory Architecture for Multi-Core Processors - Hassan Bajwa and Xinghao Chen

48 Dynamic RAM Pierwsze tranzystory- kondensatory Dzisiejsze kondensatory są budowane w 3 wymiarach aby zmniejszyć rozmiar powierzchni i zwiększyć pojemność C

49 Pamięci dynamiczne DRAM Linia kolumny (bitu) Linia wiersza C pasożyt. C Store W T B Ф1Ф1 Ф3Ф3 T2T2 T1T1 I1I1 I2I2 Ф1Ф1 Ф2Ф2 Ф3Ф3 Odczyt 1 Odczyt 0 U S1 U S0 U B1 U B0 UMUM UBUB USUS UMUM 1 0

50 Odczyt pamięci DRAM C Stan nieistotny RAS CAS Adres t RCD t RC WE H Hi - Z Q R t RAC RAS – Row Address Strobe CAS – Column Address Strobe

51 Zapis pamięci DRAM RC RAS CAS Adres WE D

52 Odświeżanie RAS Adres CAS R Odświeża się cały wiersz podczas pojedynczego odczytu CAS before RAS Jeśli /CAS jest ustawiany w stan niski (aktywny) prezzd sygnałem /RAS to pamięć DRAM ignoruje adres podany na magistrali adresowej i używa swojego wewnętrznego licznika odświeżeń aby odświeżyć kolejny wiersz

53 Fast Page Mode RC RAS CAS Adres Hi - Z Q CC

54 Pamięć SDRAM Synchronouse DRAM (Single Data Rate) t CAS

55 Parametry czasowe tCAS-tRCD-tRP-tRAS przykład: 2.5-3-3-8 CL = CAS Latency time: The time it takes between a command having been sent to the memory and when it begins to reply to it. It is the time it takes between the processor asking for some data from the memory and it returning it. TRCD = DRAM RAS# to CAS# Delay: The number of clock cycles performed between activating the Row Access Strobe and the Column Access Strobe. This parameter relates to the time it takes to access stored data. TRP = DRAM RAS# Precharge: The amount of time between the 'precharge' command and the 'active' command. The precharge command closes memory that was accessed and the active command signifies that a new read/write cycle can begin. TRAS = Active to Precharge delay: The total time that will elapse between an active state and precharge state. This is the sum of the previous timings: CL + TRCD + TRP

56 SDRAM

57 SDRAM – różne banki

58 DDR SDRAM- Double Date Rate Transfer danych następuje 2 razy na takt zegara – na narastające i opadające zbocze Komendy akceptowane są co takt zegara (w pierwszym przybliżeniu) i są podobne jak dla sdram Obniżono napięcie zasilania z 3.3V (sdr sdram) na 2.5V (DDR) Szybkość transmisji: 2(ddr) * 8 (bajtów) *f

59 DDR2 Transfer danych na narastającym i opadającym zboczu (błędem jest twierdzenie że 4 razy na takt zegara) Częstotliwość wewnętrzna pamięci 2 razy mniejsza od częstotliwości magistrali zewnętrznej – dlatego podczas jednego odczytu z pamięci wewnętrznej odczytywane są 4 bity, które są kolejno transferowane pojedynczo Obniżone napięci zasilania na 1.8V Aby osiągnąć wyższą wydajność od pamięci DDR pamięci DDR2 są taktowane wyższą częstotliwością Pamięci te mają większe opóźnienie (latency), np. Dla DDR typowe to 2 do 3, dla DDR2 typowe to 4 do 6 taktów zegara – opóźnienie to jest częściowo rekompensowane większą częstotliwością taktowania

60 DDR3 Częstotliwość wewnętrzna pamięci 4 razy mniejsza od częstotliwości zewnętrznej – dlatego podczas jednego odczytu wewnętrznego czytanych jest 8 bitów, które z kolei są transmitowane pojedynczo w 4 taktach zegara Zwiększono częstotliwość taktowania Zwiększono opóźnienie (latency) Zmniejszono napięcie zasilania do 1.5V

61 Dual-Channel Memory Zwiększona szerokość magistrali danych z 64-bitów do 128-bitów

62 First-In First-Out (FIFO) Wejście: A, B, -,C, -, D, E Wyjście: -, A, -, B, -, -, C, -, D, E empty full

63 Last-In First-Out (LIFO) (stos) Wejście: A, B, -,C, -, D, E Wyjście: -, B, -, C, -, -, E, -, D, A ZapisOdczytLicznik (Q n+1 ) 00Q n 10Q n +1 01Q n -1 11Q n

64 Bufor opóźniający na rejestrze przesuwnym

65 Bufor opóźniający na pamięci

66 Content-addressable memory (CAM) Podajemy wartość danej a pamięć CAM zwraca adres (lub adresy) pod którymi znajduje się podane dana W konsekwencji należy przeszukać całą pamięć aby otrzymać adres pod którym znajduje się podana dana Przykład pamięci: Adres:01234567 Dana:54321033 Dana: 4, wynik: 1; Dana 3, wynik: 2, (6, 7)

67 Look-Up Table (LUT) Kwadrat: Adres: 0, 1, 2, 3, 4... Dana: 0, 1, 4, 9, 16...

68 Obliczanie histogramu

69 Zadania lab na 3.0 1. Zaprojektować układ zapełniający po kolei wszystkie komórki pamięci kolejnymi wartościami używając a) pamięci RAM16x?S, b) RAMB16_?S 2. Z pamięci o szerokości danych N-bitowej skonstruować pamięć o większej szerokości magistrali danych 2N-bitowej, 4N-bitowej (uŜywając pamięci a) RAM16x?S, b) RAMB16_S?). 3. Z pamięci o mniejszej pojemności zaprojektuj pamięci o a) 2, b) 4 razy większej pojemności, przy tej samej szerokości magistrali danych (używając pamięci a) RAM16x?S, b) RAMB16_S?). 4. Zaprojektuj układ zapisujący (i później odczytujący) konkretną wartość pod konkretną lokację adresową (używając pamięci a) RAM16x?S, b) RAMB16_S?). 5. Używając pamięci dwuportowej RAMB16_S?_S? zaprojektuj układ zapisujący (i później odczytujący) konkretną wartość pod konkretną lokację adresową na dwóch portach. Zaobserwuj co się stanie w przypadku zapisu i odczytu spod tego samego adresu równocześnie na dwóch portach.

70 Interface DDR

71 Ważne okno czasowe

72 Literatura: Qimonda GDDR5 – White Paper, www.qimonda.com

73 Szybkość transferu

74 GDDR5

75 GDDR5 – inwersja bitów

76 GDDR – I/O GDDR5 SGRAMs offer several features that let the controller perfectly adapt the device’s input and output characteristics to the actual system impedance and thus improve the data eye for a reliable data transmission. Auto calibration for process, voltage and temperature drift compensation Software controlled adjustable drive strengths Software controlled adjustable data, address and command termination impedances Software controlled adjustable data input reference voltage