Multipleksery, Rejestry, Pamięci

Prezentacja na temat: "Multipleksery, Rejestry, Pamięci"— Zapis prezentacji:

1 Multipleksery, Rejestry, Pamięci
Ernest Jamro Kat. Elektroniki AGH

2 Literatura Józef Kalisz – Podstawy Elektroniki Cyfrowej
Baranowski J. et.al. Układy Elektroniczne cz.3 – Układy i systemy cyfrowe (ang.)

3 Multiplekser Mux 2:1 Mux 4:1

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

5 Multiplekser na bramkach – postać ogólna
Mux 4:1

6 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.

7 Demultiplekser

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

9 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

10 SIPO (Serial-In Parallel-Out)

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

12 SIPO (CE - Clock Enable)

13 PIPO (Parallel-In Parallel-Out)

14 SISO (Serial-In Serial-Out)

15 Parallel-In Serial-Out

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

17 Dwukierunkowa transmisja danych po jednym przewodzie

18 Szeregowe liczenie parzystości

19 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

20 Sumator bitów niezerowych

21 Rejestr przesuwny w prawo lub lewo

22 Barrel Shifer (szybkie przesunięcie o dowolną liczbę bitów)
Mnożenie Dzielenie

23 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.

24 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

25 Schemat pojedynczej komórki ROM

26 Dwuwymiarowe wybieranie komórki pamięci

27 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) Pamięci specjalizowane

28 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

29 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

30 Tranzystor w EPROM (technilogia FAMOS)
Swobodna bramka (floating gate)

31 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 razy

32 Programowanie i kasowanie EEPROM

33 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

34 Flash – kasowanie i programowanie

35 Struktura NOR i NAND pamięci Flash
b) NAND

36 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)

37 Wielopoziomowe pamięci Flash

38 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)

39 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)

40 Przykład odczytu danych

41 Przykład c.d.

42 Przykład c.d. -komendy

43 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)

44 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

45 Schemat Blokowy układ: AS7C4096 512k×8bit

46 Cech pamięci SRAM • AS7C4096 (5V version) • AS7C34096 (3.3V version)
• Industrial and commercial temperature • Organization: 524,288 words × 8 bits • High speed - 10/12/15/20 ns address access time - 5/6/7/8 ns output enable access time • Low power consumption: ACTIVE mW (AS7C4096) / 12 ns - 468 mW (AS7C34096) / 12 ns • Low power consumption: STANDBY - 110 mW (AS7C4096) / max CMOS - 72 mW (AS7C34096) / max CMOS • Equal access and cycle times • Easy memory expansion with CE, OE inputs • TTL-compatible, three-state I/O

47 Tablica stanów

48 Przykładowe przebiegi

49 Parametry czasowe pamięci

50 Przykładowe przebiegi

51 Warunki pomiaru

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

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

54 Komórka pamięci wieloportowej
Pamięć jednoportowa dwuportowa czteroportowa

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

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

57 Pamięci SRAM synchroniczne - 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

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

59 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

60 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

61 Zapis pamięci DRAM R C RAS CAS Adres WE D

62 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

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

64 Pamięć SDRAM Synchronouse DRAM (Single Data Rate)

65 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

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

67 SDRAM –c.d.

68 SDRAM – różne banki

69 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

70 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

71 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

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

73

74 Szybkość transferu

75 GDDR5

76 GDDR5 – inwersja bitów

77 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

78 Łączenie pamięci Literatura:
Qimonda GDDR5 – White Paper,

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

80 Last-In Last-Out (LIFO) (stos)
Wejście: A, B, - ,C, - , D, E Wyjście: - , B, - , C, - , - , E, - , D , A

81 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

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

83 Obliczanie histogramu