Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry...
Transcript of Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry...
![Page 1: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/1.jpg)
1
Paměti
Návrh počítačových systémůINP 2008
![Page 2: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/2.jpg)
2
Paměťové prvky v reálném počítači
Reg
Paměťmikroprogramu
![Page 3: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/3.jpg)
3
Proč paměťová hierarchie?
Control
Datapath
Sekundárnípaměť(Disk)
Processor
Registers
Hlavnípaměť
(DRAM)
L2Cache
(SRAM)
On-C
hipC
ache
ns jednotky msPřístupová doba: <10ns desítky ns
stovky B kB stovky GBKapacita: jednotky MB jednotky GB
Terciálnípaměť
sekundy
desítky TB
• chceme maximalizovat výkonnost počítače (tj. poměr výkon/cena)
• potřeba nevolatilní paměti, která nepotřebuje napájecí napětí
• časová lokalita - pokud procesor používá nějakou položku v paměti, je vysokápravděpodobnost, že ji bude používat znovu => ulož položku co nejblíž procesoru
• prostorová lokalita – pokud procesor pracuje s nějakou položkou v paměti, potom položky, které jsou umístěny v paměti v blízkostí s této položky, budu s vysokou pravděpodobností také použity => ulož položky co nejblíž procesoru
Cena/MB: nejvyšší střední nejnižší
![Page 4: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/4.jpg)
4
Paměti - typy a parametry
Paměťové prvky se používají v počítači na všech hierarchických úrovních v těchto funkcích:
- vnit řní paměť procesoru , jako registry, registrové sady, zásobníky, fronty, tabulky pro různé účely a paměťmikroprogramů v řadiči procesoru
- hlavní pam ěť včetně rychlých vyrovnávacích pamětí
- vnější pam ěti včetně vyrovnávacích pamětí apod.
![Page 5: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/5.jpg)
5
Další parametry pamětí
Přenosová rychlost je parametr udávající počet datových jednotek(bitů, bytů atd) přenášených do nebo z paměti za sekundu, např. 3MB/s u disku. Pro cenové rozvahy je důležitým parametrem cena/bit . K dalším významným parametrům patří chybovost paměti udávanánapř. v počtu chyb na 1000 hodin a poruchovost , nejčastěji popisovaná parametrem střední doba mezi poruchami a dalšími podobnými parametry.Výkonnost je u pamětí udána parametry: kapacita, přístupová doba a přenosová rychlost.
![Page 6: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/6.jpg)
6
Klasifikace pamětí podle fyzikálního principu
- paměti polovodičové - bipolární a - unipolární MOS resp. CMOS
- magnetické - disketové, - diskové, - páskové- atd.
- optické - CD- DVD
- magnetooptické- molekulární
Mnoho typů pamětí zmizelo a další se objevují.
feritová pamět z IBM 405
![Page 7: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/7.jpg)
7
Přístup k datům – libovolný a sériový
Pokud přístupová doba nezávisí na umístění požadované položky, jde o paměť s libovolným p řístupem RAM - Random Access Memory.
Paměť se sériovým p řístupem SAM - Serial Access Memory vybavuje položky s různou dobou přístupu podle toho, jak dlouho to trvá, než se paměťové médium přisune k čtecí hlavě.
Zde je však třeba si uvědomit, že disk s několika záznamovými povrchy je reprezentantem smíšeného p řístupu ; výběr záznamového povrchu je libovolný přístup, vystavování hlavy na požadovanou stopu a otáčení disku při čekání na požadovaný záznamový sektor je sériový přístup. Čistě sériový přístup má magnetická páska.
![Page 8: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/8.jpg)
8
Libovolný přístup RAM
a) RAM
adresa data IN/OUT
Sériový přístup SAM
b) SAM, resp. smíšený přístup
páska řízení směru pohybu
Č/Z hlava
adresa
data IN/OUT
adresa Č/Z hlava
otáčení
data IN/OUT
![Page 9: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/9.jpg)
9
Výběr z paměti – adresový
adresová část datová část
a) adresový výběr
adresový dekodér . . .
. . .
adresa v přímém binárním kódu
výběrové vodiče (kód 1 z n)
data IN/OUT
Paměťová místa jsou uspořádána podle adres vzestupně, adresový prostor je uspo řádaný a souvislý .
![Page 10: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/10.jpg)
10
Výběr z paměti - asociativní
. . . . . .
výběrové vodiče
adresa/klíč
adresová část
. . .
data IN/OUT
datová část
b) asociativní výběr
• U asociativního výběru jsou v adresové části paměti poznamenány adresy paměťových míst datové části.
• To znamená, že paměťová místa mohou být vzhledem k adresám uspořádána libovolným způsobem, některým adresám nemusí odpovídat žádné paměťové místo.
• Adresový prostor je neuspo řádaný a nesouvislý . Výběrový vodič se aktivizuje na základě shody hledané adresy (klíče) s adresou daného řádku. Navíc se může pomocímasky adresy určit, které bity adresy se mají při porovnávání použít, a které ne. Proto je vhodné říkat adrese klí č.
• Popsaný princip asociativního výběru vyžaduje, aby ve všech řádcích adresové části paměti byl komparátor adres - klí čů.
![Page 11: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/11.jpg)
11
Komparátor adres - klíčů asociativní paměti
a n
b n . . .
. . .
b b n-1
a n-1
n-2
a n-2 a 0
b 0
. . .
&
řádkový vodič "shoda"
a – klíč na vstupu paměti dodaný uživatelemb – jedna konkrétní hodnota klíče v pamětiUvedená obvodová struktura musí být zopakována n-krát,kde n je počet položek uložitelných v paměti.
![Page 12: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/12.jpg)
12
Měnitelnost obsahu paměti – R/W
• RWM - Read/Write Memory - paměť umožňující čtení i zápis• ROM - Read Only Memory - paměť umožňující pouze čtení, zapisovat
nelze
Varianty:
• PROM - programovatelná ROM; „čistá" nenaprogramovaná paměťumožňuje jedno naprogramování, další změna již není možná
• EPROM - vymazatelná PROM; naprogramovaná paměť se dávymazat a znovu naprogramovat. Paměti s tímto označením se mažou ultrafialovým zářením.
• EEPROM - elektricky vymazatelná PROM. Zde je řada modifikacípodle toho, zda je možno mazat vybraný řádek, nebo pouze celou paměť, jak rychle proces mazání probíhá (Flash EEPROM) atd.
![Page 13: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/13.jpg)
13
Stálost obsahu paměti
Podle energetické závislosti dělíme paměti na nevolatilní a volatilní . Je-li záznam stálý i po vypnutí napájecího napětí, jde o nevolatilní paměť. Volatibilita se u polovodičových pamětí překonává záložním napájecím zdrojem (např. akumulátorový článek v PC).
Některé fyzikální principy vedou na paměť, u které se čtením záznam vymaže. Znamená to, že se po cyklu čtení musí zařadit vždy cyklus zpětného zápisu. Takové paměti se označují jako destruktivní .
Podle doby uchování informace (data retention ) dělíme paměti na statické (SRAM), které při dodržení jistých provozních parametrů držíinformaci libovolně dlouho, a dynamické (DRAM), které "zapomínají", a to docela rychle. U prvních pamětí DRAM 16K x 1b to byly 2 ms. S rostoucíkapacitou pouzder DRAM se doba uchování informace prodlužuje. U čipů1M x 1b to je typicky 8 ms, atd. U tohoto typu pamětí se proto musí zavčas informace obnovit (refresh ). Vybíjení náboje a tedy pokles napětí na paměťovém kondenzátoru probíhá podle exponenciální křivky.
![Page 14: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/14.jpg)
14
Polovodičové paměti
• ROM– PROM, EPROM
• RWM– RAM
• SSRAM, SRAM
– DRAM• FPM DRAM, EDO DRAM, BEDO DRAM
• SDRAM• DDR SDAM, DDR2 SDRAM, DDR3 SDRAM
• EEPROM a FLASH
![Page 15: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/15.jpg)
15
Struktura paměti ROM 16 x 4b
AR
A A A A
3 2 1 0
DC
bin -
1 z 16
datový registr b3 b2 b1 b0
. . .
čtecí zesilovač
adresový (řádkový) vodič 000
001
. . .
111sloupcový (datový) vodič
adresový registr
adresa
pomocí MOS tran.
![Page 16: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/16.jpg)
16
Komentář k příkladu paměti ROM
Čtyřbitová binární adresa se zachycuje do adresového registru AR a dále se dekóduje do kódu 1 z 16, což znamená, že pro jistou adresu se aktivizuje příslušný adresový vodič. Obsah vybraného čtyřbitového adresového místa se objeví na sloupcových datových vodičích a po zesílení pomocí čtecích zesilovačů ČZ se zapíše do výstupního datového registru DR.Ve funkci paměťových prvků pamětí ROM se v historii počítačůvystřídaly všechny základní pasivní i aktivní elektrické prvky. Byly tak použity rezistory, indukčnosti, transformátory, feritová jádra, kapacitory, diody, tranzistory bipolární i unipolární. Nejrozšířenější typ EPROM využívá kapacity izolovaného hradla tranzistoru MOS. U pamětí PROM se programuje přepalováním chromniklových nebo křemíkových propojek.
![Page 17: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/17.jpg)
17
Struktura paměti RWM
AR
DC
bin -1 z
datový registr
. . .
čtecí a zápisové zesilovače
. . .
datový vodič
adresový registr
adresa n bitů
slovní vodič 0
1
2 -1n
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . . . . .
Č
Z
data
. . .
![Page 18: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/18.jpg)
18
Komentář k RWM, typy paměťových členů
Struktura paměti RWM (nepřesně označovaná jako RAM) je principiálněvelmi podobná struktuře paměti ROM. Rozdíl je v tom, že sloupcové datovévodiče nyní přenášejí data obousměrně, a jsou doplněny zápisovézesilovače ZZ. Rovněž vnější datová sběrnice je obousměrná.
U E
Q' Q
a) Bipolární statický člen b) Unipolární statický člen
+U CC +U CC
U D
c) Unipolární dynamický paměťový člen DRAM
Z
Č
Každý paměťový člen má jiný způsob čtení a zápisu informace. Podle typu použitého paměťového členu se proto modifikuje vnitřní zapojení paměťové matice, čtecích a zápisových zesilovačů, případně se modifikuje celková struktura paměti. U statických paměťových členů se zápis a čtení provádí pomocí dvojic sloupcových datových vodičů, které nesou komplementární proudové nebo napěťové impulsy.
![Page 19: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/19.jpg)
19
SRAM (Static RAM)• Vodič Data je určený k zápisu dat do paměti.
Vodič označený jako -Data se používá ke čtení. Hodnota na tomto vodiči je vždy opačnánež hodnota uložená v paměti => na konci procesu čtení je nutno ji ještě negovat.
• Při zápisu se na adresový vodič umístíhodnota logická 1, na vodič Data se přivede zapisovaná hodnota (např. 1). Tranzistor T1 se otevře => jednička na vodiči Data otevře tranzistor T4 => uzavře se tranzistor T3. Tento stav obvodu představuje uložení hodnoty 0 do paměti.
• Čtení - na adresový vodič je přivedena hodnota logická 1 => otevřou se tranzistory T1 a T2. Jestliže byla v paměti zapsána hodnota 1, je tranzistor T4 otevřen (tj. na jeho výstupu je hodnota 0), čtenou hodnotu obdržíme na vodiči -DATA. V případě uložené hodnoty 0 -tranzistor T4 je uzavřen (tj. na jeho výstupu je hodnota 1).
T1 T2
T3 T4
T5 T6
adresový vodič
![Page 20: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/20.jpg)
20
Př. SRAM (8k x 8b)
![Page 21: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/21.jpg)
21
Čtení asynchronní SRAM
![Page 22: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/22.jpg)
22
Zápis do SRAM
![Page 23: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/23.jpg)
23
Adresování dvou a více pamětí
![Page 24: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/24.jpg)
24
Dynamická paměť (DRAM)
Informace je uložena pomocí elektrického náboje na kondenzátoru .Při zápisu se na adresový vodič (WL – word line) přivede hodnota logická 1 => tranzistor se otevře. Na datovém vodiči (BL – bit line) je umístěna zapisovaná hodnota (např. 1), tato hodnota projde přes otevřený tranzistor a nabije kondenzátor. V případě zápisu nuly dojde pouze k případnému vybití kondenzátoru (pokud byla dříve v paměti uložena hodnota 1). Při čtení je na datový vodič nejdříve připojena hodnota ½ napájecího napětí. Potom je na adresový vodič přivedena hodnota logická 1, která způsobí otevření tranzistoru. Podle toho, zda je na kapacitoru úroveň H nebo L, bude nepatrně změněna úroveň na BL, buď vzroste nebo poklesne. Tato změna je detekována zesilovačem, který obnoví původní hodnotu na kapacitoru na H nebo L. Operace se provádíproto, že čtení destruuje logickou hodnotu v paměťové buňce DRAM.
adresový vodič
datový vodič
![Page 25: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/25.jpg)
25
DRAM – obnova informace
Náboj na kondenzátoru má tendenci se vybíjet i v době, kdy je paměťpřipojena ke zdroji elektrického napájení => je nutné periodicky provádět tzv. refresh , tj. oživování paměťové buňky. Tuto funkci plní některý z obvodůčipové sady.
Jednou za dobu tr (tr je např. 4ms) dojde k obnově informace v paměti. Zdegenerovaný obsah řádku je načten do registru a vzápětí je obsah registru (již s upravenými log. úrovněmi) zapsán zpět do buněk paměti.
Obrázek ukazuje průběh napětí na kondenzátoru po zápisu log. 1.
adresový vodič
datový vodič
![Page 26: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/26.jpg)
26
Struktura DRAM 16K x 1bit
AŘ
0 1
. . .
Reg.
a DC
. . .
127
127 0 1
2 7
2 7
Paměťová matice
16k bitů
128 Č/Z zesilovačů
Reg. Adr. sloupce a DC
7
7
7
ADRESA CAS
RASDIN
WE
WE
DOUT
koincidenční výběr
![Page 27: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/27.jpg)
27
Předávání adresy DRAM
Pro minimalizaci počtu vývodů pouzder DRAM se ustálilo předávání adresy multiplexním zp ůsobem nadvakrát. Členění adresy je naznačeno na obrázku:
ADRESA 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
adresa sloupce adresa řádku
RAS
CAS
ADR
DIN
DOUT
adr. řádku adr. sloupce
Časový diagram DRAM
![Page 28: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/28.jpg)
28
Komentář k adresování DRAMNejdříve se předává adresa řádku AŘ; zápis této části adresy do registru AŘ z adresové sběrnice ADR je řízen signálem RAS - Row Address Select. Poté se na adresové sběrnici ADR objeví adresa sloupce AS a ta se zapíše do registru AS signálem CAS - Column Address Select. Jde-li o zápis, musí být na datovém vstupu DIN ve stanoveném intervalu platný datový bit, který se zapíše do adresovaného místa. Jde-li o čtení, pak za dobu danou katalogovými hodnotami se na datovém výstupu DOUT objeví přečtený bit. Funkce čtení/zápis se řídí signálem WE (často se používá označení R/-W).Adresový výběr provádějí dva adresové dekodéry s výstupem v kódu 1 z 128, a koincidence (tedy logický součin) aktivovaného řádkového a sloupcového vodiče určíadresované paměťové místo (1 z 16 384). Koincidenčním výběrem se výběr paměťového místa z paměťové matice výrazně zjednoduší.
![Page 29: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/29.jpg)
29
Čtecí zesilovač DRAM
v ax z adresového
dekodérf 2
f 1
+U CC f 3 f 3
C M
C P C P
f 1
U ref C ref
vb vb 0 1
f 2
f 2
f 3
f 1 precharge
čtení
obnova
Čtecí zesilovač je zapojen na dvojici bitových sloupcových vodičůvb0, vb1. Bitové vodiče jsou zatíženy parazitními kapacitami Cp. Na bitový vodič vb0 je připojena dynamická paměťová buňka CM, na bitový vodič vb1 je připojena referenční paměťová buňka Cref. Čtenía obnova informace je řízena signály f1, f2, f3 s průběhy dle obrázku.
![Page 30: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/30.jpg)
30
Čtecí zesilovač DRAM - činnost
V první fázi čtení se signálem f1 otevřou spínače uvnitř ČZ (vyznačené pomocí čtverečků), čímž dojde k vyrovnání nábojů na parazitních kapacitách CP - fáze precharge, a referenční paměťovábuňka se nabije na hodnotu rozhodovacího napětí
Uref = (U1 - U0) /2. Ve druhé fázi se signálem f2 zahájí adresový výběr; napětí z paměťové a referenční buňky se objeví na bitových vodičích vb0, vb1. Čtení se dokončí ve třetí fázi, kdy se signálem f3 připojí k čtecímu zesilovači napájecí napětí.ČZ je diferenciální zesilovač, který je řízen rozdílem napětí paměťovéa referenční buňky. Je-li tento rozdíl kladný, vyhodnotí se stav paměťové buňky jako 1, je-li rozdíl záporný, vyhodnotí se stav jako 0. Čtecí zesilovač tuto diferenci zesílí až do krajních hodnot U0 nebo U1, a na jednu z těchto hodnot se paměťová buňka nabije. Tím byla provedena obnova informace.
![Page 31: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/31.jpg)
31
Řízení obnovy dat
Mechanismus obnovy musí zajistit, aby se před uplynutím zaručené doby uchování informace adresovala všechna paměťovámísta. Základem řadiče obnovy je čítač adresy řádku, který inkrementuje po 1 a po naplnění čítá znovu od nuly. Pro pouzdro DRAM 16K x 1 je čítač obnovy sedmibitový.
Obnova dat se zajišťuje většinou jako vnější obnova, speciálnípaměti mají vnitřní mechanismus obnovy, tedy obvody pro řízeníobnovy mají přímo na čipu. Vnější obnova je uspořádána jako- rozložená- dávková- transparentní- během normální činnosti
![Page 32: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/32.jpg)
32
Obnova informace - komentář
U rozložené obnovy se spouštějí pravidelně cykly obnovy tak, aby se v daném intervalu adresovaly všechny paměťové buňky. U dávkové obnovy následují všechny obnovovací cykly těsně za sebou. U transparentní obnovy se využívá volných intervalů v činnosti paměti, takže obnova pak nezdržuje činnost procesoru. Tento způsob je však možno použít jen někdy. Obnovy normální činností se využívá tam, kde je zaručeno adresovánívšech paměťových míst normální činností, např. u VIDEO paměti, ze kterése cyklicky čtou data pro zobrazení na monitoru.
Časové diagramy rozložené a dávkové obnovy jsou na obr. a), b). Cykly běžné činnosti paměti jsou označeny N, obnovovací cykly jsou označeny symbolem R.
a) rozložená
b) dávková
R N N N N N N N R
R R R R R R N N R
. . .
. . .
![Page 33: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/33.jpg)
33
Délka cyklu obnovyAby byl zachován již ustálený standardní interval mezi cykly rozloženéobnovy 16µs bez zvýšení odběru, musí se u každé nové generace paměťových čipů zvětšovat doba uchování informace na dvojnásobek. U DRAM 16 Mb se vyvinuly dvě standardní doby uchování informace
- doba převzatá z DRAM 4 Mb - 32 ms/2K cyklů obnovy
- úpravami pro snížení odběru - 64 ms/4K cyklů obnovy.Vývojový trend dob uchování informace je zřejmý z obrázku.
doba uchování informace
[ms]
kapacita [b]
4M 16M 64M 256M
256
128
64
32
16
4K cyklů
2K cyklů
![Page 34: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/34.jpg)
34
Bloková struktura DRAM (1)
Zvětšení kapacity paměti (adresového prostoru) se provádí uspořádáním paměti do bloků. Na obrázku je naznačena rozšířená adresa a dekodér adresy bloku. Zde je použito jedno z více možných uspořádání. Protože u DRAM nejsou k dispozici výběrové signály Chip Select, jsou pomocídekodéru vytvářeny v kódu 1 z n selektivní signály CASi. Signál RAS je rozveden do všech bloků. Výsledná bloková struktura paměti je na dalším obrázku. Zvětšování šířky datového slova je omezeno pouze výkonem výstupů zdrojů signálů CASi a RAS.
. . .
A14 A15 A16
CAS E
DC CAS0 CAS1 CAS2
CAS7
. . .
13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
adresa sloupce adresa řádku adresa bloku
16 15 14
![Page 35: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/35.jpg)
35
Bloková struktura DRAM (2)
. . .
CAS0
CAS1
CAS7
. . .
DRAM 16Kx1
DRAM 16Kx1
DRAM 16Kx1
DRAM 16Kx1
DRAM 16Kx1 . . .
. . . DRAM 16Kx1
DRAM 16Kx
DRAM 16Kx1
DRAM 16Kx1
. . . . . .
. . . . . . . . .
RAS
. . . Di Di-1 D0 DATA IN/OUT
blok 0
blok 1
. . .
blok 7
A6-A0 / A13-A7
![Page 36: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/36.jpg)
36
Topologie čipu DRAM 16 M x 1 bit
4 bity 10 bitů 10 bitů
0 10 19
adresa bloku
adresa sloupce adresa řádku
9 23 20
Jeden blok má kapacitu 1 Mbit, třetí rozměr adresy má 4 bity. Přepnutí blokuzměnou nejvyšších čtyř bitů (bity 20 až 23) beze změny adresy řádku a sloupce prob ěhne rychleji, než výb ěr podle nové adresy . Toho se využívá u většiny pamětí zavedením tzv. blokového nebo též stránkového režimu (má-li paměť pouze čtyři bloky, používá se název nibble mode). Po běžné sekvenci nastavení adresy pomocí signálů RAS a CAS se impulsním průběhem na CAS adresují postupnědalší bloky (hodnota RAS zůstává nezměněna).
![Page 37: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/37.jpg)
37
Prokládání paměťových operacíBez prokládání
Čtyřcestné prokládání – urychlení 4x
Bezprokládání S prokládáním
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
16
12
8
4
15
11
7
3
14
10
6
2
13
9
5
1
3
2
1
0
Bank
![Page 38: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/38.jpg)
38
Časování základní varianty DRAM
Neustálé střídání RAS’ a CAS’ vede k tomu, že jen v určitých okamžicích (modrá barva na obrázku) dochází k přenosu dat do procesoru. Jak zvýšit propustnost? Změnit časování paměti!
![Page 39: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/39.jpg)
39
• Fast page mode DRAM (FPM DRAM)– umožňuje realizovat čtení tak, že je nastaven ROW na určitou hodnotu a přičítá se
hodnota COL
• Extended data out DRAM (EDO DRAM)– přidán latch - prodlužuje se doba, po niž jsou přečtená data k dispozici na datové
sběrnici => řadič paměti má více času na to, aby předal data přes sběrnici do procesoru.
• Burst Enhanced Data-Out DRAM (BEDO DRAM)– interní čítač adres urychlí operace s pamětí
• Synchronous DRAM (SDRAM)– jiný princip oproti předchozím, synchronizace paměti, ovládání příkazy
• RamBus™ DRAM (RDRAM)– speciální typ paměti – seriové propojení, sběrnice pouze 16 bitů
• Double data-rate synchronous DRAM (DDR SDRAM)– přenosové děje se ovíjejí od nástupné i sestupné hrany synchronizačních pulsů - je
tak možné dvakrát zrychlit přenos– DDR2 SDRAM, DDR3
Vývoj pamětí DRAM(princip uložení dat zůstává, paměti se liší v zásadě pouze frekvencí a časováním)
![Page 40: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/40.jpg)
40
BEDO – Burst Enhanced Data-Out DRAM
• DR – Data Register
• AL/C – Address Latch/counter (plní dvě funkce)
Paměti typu BEDO obsahují interní čítačadres, takže se do adresového registru zavádípouze adresa první, zbývající čtyři se odvodí v čítači postupnou inkrementací => redukce objemu komunikace mezi řadičem paměti a pamětí (burst = dávkové zpracování). BEDO urychluje o 30% oproti EDO.
![Page 41: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/41.jpg)
41
Synchronní DRAM - SDRAM(1996, 66 – 133 MHz, až 512MB, 3.3V )
• Synchronní DRAM – operace jsousynchronizovány
• Dávkový (burst) režim, podobně jako BEDO.
• Paměť SDRAM je řízena kombinacísignálů RAS, CAS a WE, které představujíkód příkazu. Každou nástupnou hranou signálu CLK jsou tyto signály dekódovány a SDRAM pak provede požadovanou funkci.
Příkazy generovanéřadičem proSDRAM
Příkazy přijímanéřadičem paměti ajejich kódy
![Page 42: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/42.jpg)
42
SDRAM
• Programovatelná délka dávky (burst rate)– Jedenkrát se aktivuje signál CAS a potom se přenese tolik
datových jednotek, kolik udává přednastavená hodnota určitého registru.
• Programovatelná latence CAS– Počet taktů nutných pro dodání dat od aktivace signálu CAS
je opět možné nastavit.
![Page 43: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/43.jpg)
43
DDR SDRAM – Double Data Rate(r. 2000, 200 – 400 MHz, 2.5V, 64MB - 2GB )
DDR - data jsou přenášena na náběžné i sestupné hraně hodinového pulsu (propustnost: 1,6 - 3,2 GB/s). Startovací frekvence jsou od 266MHz, které se označují standardem DDR266. Maximální rychlosti technologie DDR se pohybují okolo 600MHz efektivně, ale obvykle je pro jejich dosaženínutné značně vysoké napájecí napětí (i přes 3 V). Kromě DDR existuje i nízkonapěťová verze DDR pamětí LPDDR, které mají napájecí napětí mezi 1.8 -1.9 V a vykazují až o 40% nižší spotřebu.
![Page 44: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/44.jpg)
44
SDRAM vs DDR
![Page 45: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/45.jpg)
45
DDR2 a DDR3
DDR2-400 – DDR2-800 pracovní frekvence: 400 – 800 MHz, propustnost: 3.2 – 6.4 GB/s, 1.8 V,128 MB až 8 GB
DDR3-800 - DDR3-1600 pracovní frekvence 800 – 1600 MHz, propustnost 6.4 GB/s – 12.8 GB/s, napájecí napětí 1.5 V kapacita: 8 GB (Infineon)
GDDR4 (Samsung) ?
![Page 46: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/46.jpg)
46
DDR vs DDR2
![Page 47: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/47.jpg)
47
Prefetch
• K tomu, aby se využila celková délka burst přenosu, musí být procesor náležitěnavržen, tj. musí být schopen přijmout jisté množství dat.
• Procesor při zjištění požadavku na čtení z DRAM vyvolá požadavek na určitý počet bytů. Tento počet je určen parametrem prefetch (přednačtení) a udáváse v bytech. Například procesor Pentium III vyvolává požadavek na čtení 32 bytů.
• Výrobci procesorů většinou koncipují délku prefetch podle dostupných paměťových technologií tak, aby se využila celá délka burst přenosu. Například zmíněné Pentium III se svými 32 byty přesně odpovídá množství dat dodaných SDRAM pamětmi. Kdyby Pentium III načítal 64bytů, bylo by nutnévyvolat dva burst přenosy.
• Představme si nyní, co by se stalo, kdyby základní deska s Pentiem III byla osazena pamětmi DDR SDRAM. Ty by dodaly ne 32bytů, ale rovnou 64bytů. Procesor by ale přijal pouze prvních 32bytů a zbytek by zahodil (pokud by to nebylo ošetřeno jinak).
• Procesory Athlon jsou nastaveny na 64 bytový prefetch. To je shodou okolností přesně délka burst přenosu DDR SDRAM.
• Pentia 4 používá prefetch 128 bytů. 128 bytů je přesně schopnost burstpřenosu pro dvou-kanálovou DDR SDRAM.
![Page 48: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/48.jpg)
48
Vývoj parametrů DRAM
![Page 49: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/49.jpg)
49
Paměť Flash
Paměť Flash je paměť typu EEPROM (elektricky mazatelná a programovatelná paměť). Je tvořena sítířádků a sloupců, na jejichž průsečících leží jednotlivé paměťové buňky. Každá z buněk obsahuje jeden unipolární tranzistor, který má nad sebou umístěna dvě hradla, vzájemně izolovaná tenkou oxidovou vrstvičkou. Horní hradlo (řídicí) je připojeno na sběrnici řádků a spodní hradlo není připojeno nikam (je plovoucí). Náboj se na toto plovoucí hradlo dostane tunelováním z řídicího hradla. Nenaprogramovanábuňka paměti nemá na plovoucím hradle žádný náboj, a proto se po přivedení výběrového signálu na konkrétní naadresovaný řádek paměti nedokáže paměťový tranzistor otevřít. Buňka si pamatuje logickou hodnotu 1. Pokud však vpravíme do plovoucího hradla náboj (programováním paměti), pak se po výběru řádku paměti dokáží tranzistory naprogramované paměťové buňky otevřít a buňka si tedy pamatuje logickou 0. Mazání paměti spočívá v tom, že se z plovoucího hradla uložený náboj odvede pryč.
nenaprogramovaná (smazaná) buňka naprogramovaná buňka
![Page 50: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/50.jpg)
50
Flash: Organizace paměťových buněk
NAND – vysoká hustota a kapacita, rychlý zápis, rychlé mazání, nižšíspolehlivost (pro paměťové karty, MP3 přehrávače atd.). Nutnost použitíredundantních buněk a opravných kódů.NOR – rychlé čtení, pomalý zápis, pomalé mazání, nižší kapacita/$(telefony, vestavěné systémy)
![Page 51: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/51.jpg)
51
Flash čip
![Page 52: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/52.jpg)
52
Trendy v NAND Flash pamětech
![Page 53: Návrh po číta čových systémůpub.eyim.net/ziraficka/inp/inp15pameti.pdf · Další parametry pam ět ... - unipolární MOS resp. CMOS ... stav obvodu p ředstavuje uložení](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022060808/608d3965e4938450ea1a6a3e/html5/thumbnails/53.jpg)
53
Příklady dalších variant pamětí
• FRAM (Ferroelectric Random Access Memory) využívá feroelektrickékrystaly, které umožňují paměti pracovat jako rychlá RAM a zároveňpodržet data bez přítomnosti napájecího napětí.
• MRAM (magnetoresistive random-access memory) – U tohoto typu paměti jsou data uložena za využití spinu elektronu, narozdíl od jiných druhů pamětí, u kterých nese informaci elektrický náboj. MRAM máoproti běžným RAM pamětem tu výhodu, že informace v ní uloženézůstávají po dobu asi deseti let i v případě, že dojde k odpojenínapájení. MRAM umožňuje oproti technologii FLASH vyšší rychlost čtení i zápisu (až 200MB/s). Na rozdíl od technologie FLASH při zápisu nedochází k opotřebení, paměti zvládnou prakticky neomezenémnožství (1015) zapisovacích cyklů. Celkový odběr proudu, který potřebují MRAM paměti pro zápis, je oproti FLASH pamětem takémenší.
• Molekulární paměť – bakteriorhodopsin• a mnoho dalších