Multipleksery, Rejestry, Pamięci Ernest Jamro Kat. Elektroniki AGH

Literatura Józef Kalisz – Podstawy Elektroniki Cyfrowej Baranowski J. et.al. Układy Elektroniczne cz.3 – Układy i systemy cyfrowe www.wikipedia.org (ang.) http://galaxy.uci.agh.edu.pl/~jamro/tc

Multiplekser Mux 2:1 Mux 4:1

Multiplekser 2:1 na bramkach Sel\In1, In0 00 01 11 10 1 Out= SelIn0 + Sel In1

Multiplekser na bramkach – postać ogólna Mux 4:1

Multiplekser na buforach trójstanowych Aby uniknąć krótkotrwałego zwierania buforów stosuje się krótki czas martwy w którym wszystkie bufory są w stanie wysokiej impedancji. Wymaga to użycia automatu zamiast prostego dekodera kodu binarnego na 1 z n.

Multiplekser na bramkach OC

Demultiplekser

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

Multipleksowanie w czasie Wyświetlacz 7-segmentowy Tylko jeden wyświetlacz jest aktywny w danej krótkiej chwili czasowej W układach scalonych z reguły bardziej kosztowne jest dodanie dodatkowego wyprowadzenia niż dodatkowej logiki

SIPO (Serial-In Parallel-Out)

SIPO (Clock Enable) – błędne użycie Przykład taktowania co drugi takt zegara modułu SIPO i złego użycia bramki AND na sygnale zegarowym – powstaje wyścig!!!

SIPO (Clock Enable) – poprawne użycie Przykład taktowania co drugi takt zegara SIPO – sygnał zegarowy jest wyjściem Q przerzutnika (Uwaga wyścig może powstać pomiędzy sygnałem Din a Clk2).

SIPO (CE - Clock Enable)

PIPO (Parallel-In Parallel-Out)

SISO (Serial-In Serial-Out)

Parallel-In Serial-Out (PISO)

Przesyłanie danych szeregowo Sposób 1 Sposób 2 PISO Clk SIPO D clk takt

Dwukierunkowa transmisja danych po jednym przewodzie

Szeregowe liczenie parzystości

Szeregowe sumowanie Składnik A Suma Składnik B Takt n-bitowy rejestr przesuwający C Składnik B Ci-1 A Σ S B Ci D Q Suma

Sumator bitów niezerowych Sekwencyjny Równoległy

Dodaj,Odejmij, Przepełnienie, Przykłady Add: 9+1= 10 01001 = 9 00001 = 1 01010 = 10 Add: 9+8= 17 01001 = 9 01000 = 8 10001 = -15 Overflow Add: -9+8= -1 10111 = -9 01000 = 8 11111 = -1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 Overflow= CarryOutN xor CarryOutN-1 Subtract: 9-1= 8 01001 = 9 11111 = -1 01000 = 8 Subtract: 9-8= 1 01001 = 9 11000 = -8 00001 = 1 Subtract: -9-8= -17 10111 = -9 11000 = -8 01111= 15 Overflow 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0

Counter mod 2N Qn+1= Qn+1

Counter mod N

Up/Down Counter mod 2N

Up/Down Counter mod N

Rotacja, Przesunięcie logiczne i Arytmetyczne Wejście: a3a2a1a0 Lewo Rot: a2a1a0a3 Log: a2a1a00 Aryt: a2a1a00 Prawo Rot: a0a3a2a1 Log: 0a3a2a1 Aryt: a3a3a2a1 Logiczne –mnożenie/dzielenie przez 2 dla nieujemnych liczb Arytmetyczne: mnożenie/dzielenie przez 2 dla uzupełnień do dwóch Przykład: –1= 1111; -1/2= 1111= -1

Rejestr przesuwny w prawo lub lewo SLEFT=0 – przesuń w prawo SLEFT=1 – przesuń w lewo

Rejestr przesuwny w prawo i w lewo z wpisem równoległym S= 0 - przesuń w prawo S=1 - przesuń w lewo S=2 - wpis równoległy S=3 - wpis równoległy

Rejestr przesuwny: rotujący, logiczny, arytmetyczny Mnożenie/dzielenie przez 2 Kopiowanie bity znaku przy dzieleniu w kodzie U2

Barrel Shifer (szybkie przesunięcie o dowolną liczbę bitów) Mnożenie Dzielenie (kod U2 - uzupełnień do dwóch)

Barrel Shifter - wielopoziomowy Każdy z n poziomów przesuwa o 0 lub 2i-bitów (i=0..(n-1)) bitów w ten sposób można przesunąć o dowolną liczbę bitów w zakresie od (0..2n-1)-bitów używając prostych multiplekserów 2:1.

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

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

Schemat pojedynczej komórki ROM

Dwuwymiarowe wybieranie komórki pamięci

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

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

Tranzystor w EPROM (technologia FAMOS) Swobodna bramka (floating gate)

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

Programowanie i kasowanie EEPROM

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

Flash – kasowanie i programowanie

Struktura NOR i NAND pamięci Flash b) NAND

Flash: NOR i NAND W strukturze NAND napięcia wszystkich (oprócz jednej) bramek WL0-WL15 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)

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

Pamięci Flash a Interface szeregowy: I2C (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)

Przykład pamięci Flash: AT49BV322A • Single Voltage Read/Write Operation: 2.65V to 3.6V • Access Time – 70 ns • Sector Erase Architecture – Sixty-three 32K Word (64K Bytes) Sectors with Individual Write Lockout – Eight 4K Word (8K Bytes) Sectors with Individual Write Lockout • Fast Word Program Time – 12 µs • Fast Sector Erase Time – 300 ms • Suspend/Resume Feature for Erase and Program – Supports Reading and Programming from Any Sector by Suspending Erase of a Different Sector – Supports Reading Any Byte/Word in the Non-suspending Sectors by SuspendingProgramming of Any Other Byte/Word • Low-power Operation – 12 mA Active – 13 µA Standby • Data Polling, Toggle Bit, Ready/Busy for End of Program Detection • VPP Pin for Write Protection • RESET Input for Device Initialization • Sector Lockdown Support • 128-bit Protection Register • Minimum 100,000 Erase Cycles • Common Flash Interface (CFI)

Przykład odczytu danych

Przykład c.d.

Przykład c.d. -komendy

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)

Podstawowa komórka pamięci SRAM Linia wiersza Linia kolumny (bit B) U’DD T1 T5 T3 T2 T6 T4 Przerzutnik bistabilny – dwa inwertery Przerzutnik RS – przejście w inny stan poprzez zwarcie Przerzutnik RS

Alternatywna (już nie stosowana) postać komórki SRAM Linia wiersza Linia kolumny (bit B) U’DD T1 RD T3 T2 T4

Synchroniczny zapis, asynchroniczny odczyt

Schemat Blokowy układ: AS7C4096 512k×8bit

Tablica prawdy

Przykładowe przebiegi

Parametry czasowe pamięci

Przykładowe przebiegi (zapis)

Zerowanie pamięci Brak resetu umożliwiającego zerowanie całej pamięci – konieczne jest zerowanie wszystkich komórek po kolei „0” Licznik n –bitowy Clk DIN RAM 2nx1 WE O A[n:0] wejście taktujące

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

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

Pamięci synchroniczne SRAM - odczyt tCHCH tCH tCL CLK tAVCH tCHAX A0 – A16 Adres n Adres n + 1 Adres n + 2 tCEVCH tCHCEX CE tOEVCH tOHCEX OE WE tWEVCH tCHWEX tCHQV tCHQZ Dane wyjściowe Dane z komórki o adresie n Dane z komórki o adresie n+1 Hi - Z tCHQX2 tCHQX1

Synchroniczny zapis, asynchroniczny odczyt

Pamięci synchroniczne SRAM - zapis tCHWEX tCEVCH tCHCEX Adres n Adres n + 1 Adres n + 2 tCHCH tCH tCL tCHAX tAVCH tWEVCH CLK A0 – A16 CE WE tCHDX Dn Dn + 1 tDVCH Dane

SSRAM - Zapis i odczyt jedna magistrala danych

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

Synchroniczny zapis, asynchroniczny odczyt

Synchroniczny zapis, asynchroniczny odczyt

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

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

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

Komórka pamięci wieloportowej Pamięć jednoportowa dwuportowa czteroportowa

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

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

Pamięci dynamiczne DRAM Ф1 Ф2 Ф3 Odczyt 1 Odczyt 0 US1 US0 UB1 UB0 UM UB US 1 Linia kolumny (bitu) Linia wiersza CB CS W T B Ф1 Ф3 T2 T1 I1 I2

Odczyt pamięci DRAM RAS – Raw Address Strobe Stan nieistotny RAS CAS Adres tRCD tRC WE H Hi - Z Q R tRAC RAS – Raw Address Strobe CAS – Column Address Strobe

Zapis pamięci DRAM R C RAS CAS Adres WE D

Odświeżanie Odświeża się cały wiersz podczas pojedynczego odczytu RAS Adres CAS R 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

Fast Page Mode R C RAS CAS Adres Hi - Z Q

Pamięć SDRAM Synchronouse DRAM (Single Data Rate) tCAS

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

Komendy SDRAM Precharge – zakończenie dostępu do danego wiersza oraz ustawienie wzmacniaczy na napięcie progowe

SDRAM –c.d.

SDRAM – różne banki

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

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

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

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

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

Last-In First-Out (LIFO) (stos) Wejście: A, B, - ,C, - , D, E Wyjście: - , B, - , C, - , - , E, - , D , A Zapis Odczyt Licznik (Qn+1) 0 0 Qn 1 0 Qn +1 0 1 Qn -1 1 1 Qn

Bufor opóźniający na rejestrze przesuwnym

Bufor opóźniający na pamięci

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: 0 1 2 3 4 5 6 7 Dana: 5 4 3 2 1 0 3 3 Dana: 4, wynik: 1; Dana 3, wynik: 2, (6, 7)

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

Obliczanie histogramu

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) 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.

Interface DDR

Ważne okno czasowe

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

Szybkość transferu

GDDR5

GDDR5 – inwersja bitów

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