ΣΤΑΤΙΚΕΣ ΚΑΙ ΔΥΝΑΜΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ ΤΥΧΑΙΑΣ ΠΡΟΣΠΕΛΑΣΗΣ (Static and Dynamic RAMs). ΔΙΑΡΘΡΩΣΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ ΘΕΜΑΤΙΚΕΣ ΕΝΟΤΗΤΕΣ

Transcript

1 ΣΤΑΤΙΚΕΣ ΚΑΙ ΔΥΝΑΜΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ ΤΥΧΑΙΑΣ ΠΡΟΣΠΕΛΑΣΗΣ (Static and Dynamic RAMs). ΔΙΑΡΘΡΩΣΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ ΘΕΜΑΤΙΚΕΣ ΕΝΟΤΗΤΕΣ ΒΑΣΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΗΜΙΑΓΩΓΙΚΩΝ ΜΝΗΜΩΝ. ΒΑΣΙΚΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ RAM CMOS. ΤΥΠΟΙ ΚΥΤΤΑΡΩΝ ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ- ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ. ΣΤΑΤΙΚΗ RAM (SRAM). ΒΑΣΙΚΟ ΚΥΤΤΑΡΟ, ΣΧΕΔΙΑΣΗ. ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ. ΝΕΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ. Νίκος Κονοφάος, Ξάνθη 2004.

2 ΣΤΑΤΙΚΕΣ ΚΑΙ ΔΥΝΑΜΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ ΤΥΧΑΙΑΣ ΠΡΟΣΠΕΛΑΣΗΣ (Static and Dynamic RAMs). ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΑΠΟ ΛΟΓΙΚΟ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟ. Μία μονάδα μνήμης είναι ένα σύνολο από κύτταρα αποθήκευσης, μαζί με τα απαραίτητα κυκλώματα για την μεταφορά των πληροφοριών μέσα και έξω από τη συσκευή. Επειδή μπορεί να γίνει προσπέλαση στα κύτταρα μνήμης από και προς οποιαδήποτε επιθυμητή τυχαία θέση, προέκυψε το όνομα «Μνήμη Τυχαίας προσπέλασης» (Random Access Memory). Μια μονάδα μνήμης αποθηκεύει τις δυαδικές πληροφορίες κατά ομάδες bit που ονομάζονται «λέξεις» (words). Κάθε λέξη είναι μια ομάδα από bit που μεταφέρονται όλα μαζί σαν μια μονάδα. Η χωρητικότητα μιας μνήμης εκφράζει τον αριθμό των bytes που μπορεί να αποθηκεύσει. Υπάρχει αντιστοίχιση της ποσότητας πληροφορίας που αποθηκεύεται σε μια μνήμη και του περιεχομένου, μέσω ειδικού συμβολισμού (π.χ. Κ=2 10 λέξεις κλπ). Η επικοινωνία μεταξύ της μονάδας μνήμης και του περιβάλλοντος επιτυγχάνεται με γραμμές εισόδου-εξόδου δεδομένων, γραμμές επιλογής διεύθυνσης και γραμμές ελέγχου. Οι δύο λειτουργίες που μπορεί να εκτελέσει μια μνήμη RAM είναι η γραφή και η ανάγνωση. Νίκος Κονοφάος, Ξάνθη 2004.

3 ΗΜΙΑΓΩΓΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ

4 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ CMOS ΜΝΗΜΩΝ. ΙΣΟΔΥΝΑΜΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ.

5 ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΜΝΗΜΗΣ RAM

6 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΒΑΣΙΚΩΝ ΚΥΤΤΑΡΩΝ ΜΝΗΜΗΣ

7 ΤΟ ΒΑΣΙΚΟ ΣΤΟΙΧΕΙΟ: ΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟ ΜΝΗΜΗΣ.

8 ΦΥΣΙΚΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΩΝ ΚΥΤΤΑΡΩΝ ΜΝΗΜΗΣ ΦΥΣΙΚΗ ΤΗΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑΣ ΕΓΓΡΑΦΗΣ ΤΩΝ ΛΟΓΙΚΩΝ ΤΙΜΩΝ ΣΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟ

9

10 Δυναμικές μνήμες άμεσης προσπέλασης Για την υλοποίηση της κύριας μνήμης, που οι απαιτήσεις σε χωρητικότητα είναι μεγάλες, απαιτείται η χρησιμοποίηση φτηνότερων ημιαγωγικών μνημών. Πιο φτηνές ημιαγωγικές μνήμες άμεσης προσπέλασης μπορούν να υλοποιηθούν χρησιμοποιώντας πιο απλή κυψελίδα. Τέτοιες μνήμες είναι οι δυναμικές μνήμες (DRAM) στις οποίες η κυψελίδα αποτελείται από ένα τρανζίστορ και ένα πυκνωτή. Ηλογικήτιμή1 ή 0 αποθηκεύεται στον πυκνωτή υπό μορφή φορτίου. Στις στατικές μνήμες τα δεδομένα αποθηκεύονται σεμιακυψελίδατύπουφλιπ-φλοπ και διατηρούνται για όσο διάστημα υπάρχει τροφοδοσία ισχύος. Στις δυναμικές μνήμες λόγω των ρευμάτων διαρροής ο πυκνωτής μπορεί να αποφορτιστεί σε μερικά ms (milliseconds). Επομένως στις δυναμικές μνήμες απαιτείται αποκατάσταση του αποθηκευμένου φορτίου κάθε λίγα ms. Αυτή η διαδικασία λέγεται αναζωογόνηση (refreshing) της μνήμης. Σήμερα στις περισσότερες δυναμικές μνήμες τα κυκλώματα που απαιτούνται για την περιοδική αποκατάσταση του φορτίου κάθε κυψελίδας, αναζωογόνηση της μνήμης, υπάρχουν στο ίδιο ολοκληρωμένο με τη δυναμική μνήμη. Αν δεν υπάρχουν στο ίδιο ολοκληρωμένο κύκλωμα με τη δυναμική μνήμη, τότε θα είναι στον ελεγκτή της μνήμης. Λόγω του τρόπου αποθήκευσης της πληροφορίας και των πρόσθετων κυκλωμάτων που απαιτούνται, οι δυναμικές μνήμες αντίστοιχης χωρητικότητας είναι πιο αργές από τις στατικές αλλά και πιο φτηνές. Κατά το διάβασμα μιας θέσης της δυναμικής μνήμης χάνεται το φορτίο των πυκνωτών και θα πρέπει να αποκατασταθεί. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο στις δυναμικές μνήμες ο χρόνος κύκλου (cycle time) είναι μεγαλύτερος του χρόνου προσπέλασης (access time). Λόγω της απλούστερης δομής της κυψελίδας, στην ίδια επιφάνεια πυριτίου μπορούμε να κατασκευάσουμε δυναμικές μνήμες πολύ μεγαλύτερης χωρητικότητας απ ότι στατικές. Επομένως απαιτείται μεγαλύτερος αριθμός εισόδων διευθύνσεων. Για να κρατηθεί το ανηγμένο κόστος ανά δυαδικό ψηφίο των δυναμικών μνημών χαμηλό, είναι επιθυμητό το πλήθος των ακροδεκτών του ολοκληρωμένου κυκλώματος να είναι σχετικά μικρό. Αυτή η μείωση επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας ως ακροδέκτες διευθύνσεων το μισό, ή περίπουτομισό, του πλήθους των ακροδεκτών που πραγματικά απαιτείται και χρησιμοποιώντας πολυπλεξία στο χρόνο, δηλαδή η διεύθυνση περνάει στη μνήμη σε δύο βήματα.

11

12

13 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΧΡΟΝΙΣΜΟΥ ΜΙΑΣ ΜΝΗΜΗΣ RAM SPICE ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑΣ ΓΙΑ ΤΟ ΛΟΓΙΚΟ 0

14 ΒΑΣΙΚΟ ΚΥΤΤΑΡΟ 3Τ

15 ΕΝΑ ΣΤΟΙΧΕΙΟ 3Τ. ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ.

16 ΧΡΟΝΙΣΜΟΣ ΣΕ ΣΤΟΙΧΕΙΟ 3Τ

17 ΡΕΥΜΑΤΑ ΔΙΑΡΡΟΗΣ ΣΕ ΚΥΤΤΑΡΑ DRAM

18 ΣΤΑΤΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ ΤΥΧΑΙΑΣ ΠΡΟΣΠΕΛΑΣΗΣ. STATIC RAM (SRAMs) ΣΤΑΤΙΚΕΣ ΕΙΝΑΙ ΟΙ ΜΝΗΜΕΣ ΤΥΧΑΙΑΣ ΠΡΟΣΠΕΛΑΣΗΣ ΟΙ ΟΠΟΙΕΣ ΔΙΑΤΗΡΟΥΝ ΤΗΝ ΑΠΟΘΗΚΕΥΜΕΝΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑ ΓΙΑ ΟΣΟ ΧΡΟΝΟ ΕΦΑΡΜΟΖΕΤΑΙ Η ΤΑΣΗ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ ΚΑΙ ΔΕΝ ΧΡΕΙΑΖΟΝΤΑΙ ΤΗΝ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΕΠΕΝΑΦΟΡΤΙΣΗΣ (REFRESH).

19 EΝΑ ΚΥΤΤΑΡΟ 1-bit ΣΤΗΝ SRAM ΑΠΟΤΕΛΕΙΤΑΙ ΑΠΟ ΕΝΑ ΑΠΛΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΜΑΝΔΑΛΟΥ, ΜΕ ΔΥΟ ΣΤΑΘΕΡΑ ΣΗΜΕΙΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ. ΑΝΑΛΟΓΑ ΜΕ ΤΗΝ ΤΙΜΗ ΠΟΥ ΕΧΕΙ ΔΙΑΤΗΡΗΘΕΙ ΣΤΟ ΜΑΝΔΑΛΟ, ΤΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΠΟΥ ΑΠΟΘΗΚΕΥΟΝΤΑΙ ΣΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟ ΜΠΟΡΟΥΝ ΝΑ ΕΡΜΗΝΕΥΘΟΥΝ ΕΙΤΕ ΩΣ 1 ΕΙΤΕ ΩΣ 0. ΓΙΑ ΝΑ ΔΙΑΒΑΣΟΥΜΕ ΤΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΧΡΕΙΑΖΟΜΑΣΤΕ ΤΟΥΛΑΧΙΣΤΟΝ ΕΝΑΝ ΔΙΑΚΟΠΤΗ ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΟ ΑΠΌ ΤΗΝ WORD LINE. ΓΙΑ ΤΟΝ ΔΙΑΚΟΠΤΗ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΟΥΜΕ ΔΥΟ ΝΜOS. ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΠΑΡΑΛΛΑΓΕΣ ΤΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥ SRAM

20 ΔΟΜΗ ΣΤΑΤΙΚΗΣ ΜΝΗΜΗΣ RAM (SRAM) ΒΑΣΙΚΟ ΚΥΤΤΑΡΟ ΜΝΗΜΗΣ SRAM Transistor arrangement gives stable logic state State 1 C 1 high, C 2 low T 1 T 4 off, T 2 T 3 on State 0 C 2 high, C 1 low T 2 T 3 off, T 1 T 4 on Address line transistors T 5 T 6 is switch Write apply value to B & compliment to B Read value is on line B

21 ΤΟ ΒΑΣΙΚΟ ΚΥΤΤΑΡΟ ΤΗΣ SRAM

22 ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΕΓΓΡΑΦΗΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΑΝΑΓΝΩΣΗΣ

23 ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΜΙΑΣ SRAM

24 ΡΕΥΜΑΤΑ ΔΙΑΡΡΟΗΣ ΣΕ SRAM.

25 ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΜΙΑΣ SRAM

26 SRAM vs DRAM Είναι και οι δυο πτητικές Τα δεδομένα διατηρούνται όσο υπάρχει παρεχόμενη ηλεκτρική ισχύς. Κύτταρο DRAM Μικρότερο, ευκολότερη κατασκευή Είναι πιο πυκνό Φθηνότερο Χρειάζεται ανανέωση Διευκολύνει την κατασκευή μεγαλύτερων μονάδων μνήμης. Κύτταρο SRAM Ταχύτερο Κύτταρο κατασκευής της μνήμης Cache Οργάνωση προχωρημένων κυκλωμάτων DRAM ΗβασικήDRAM παραμένει η ίδια από τότε που πρωτοεμφανίστηκε. Ενισχυμένη DRAM Περιέχει μια μικρή SRAM Η SRAM κρατάει τα περιεχόμενα της τελευταίας γραμμής ανάγνωσης (c.f. Cache!) Cache DRAM Μεγαλύτερη σε μέγεθος SRAM Βασικό στοιχείο όλων των cache ήχρήσηως Buffer.

27 ΕΜΠΟΡΙΚΑ CHIPS RAMs.

28

29 Τυποποίηση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων

30 ΠΕΡΑΙΤΕΡΩ ΔΙΑΒΑΣΜΑ 1. ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΧΡΟΝΙΣΜΟΥ ΤΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ SPICE. 2. ΜΕΛΕΤΗ ΝΕΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ DRAM (ΧΡΗΣΗ ΝΕΩΝ FET, ΕΝΘΥΛΑΚΩΜΕΝΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΚΛΠ). 3. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΜΕ ΣΧΕΔΙΑΣΤΙΚΑ ΠΑΚΕΤΑ. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ. 1. Sung-Mo Kang, Yusuf Leblebici, CMOS Digital Integrated Circuits, Analysis and Design, 3 rd Edition, 2004, κεφάλαιο 10. (επίκειται και ελληνική έκδοση εντός του 2005). 2. N.H.Weste, Eshraghian, «Σχεδίαση Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων CMOS VLSI», εκδ. Παπασωτηρίου, 1996, κεφ. 8. ΚΑΛΕΣ ΓΙΟΡΤΕΣ

31

32

33 ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΕΠΑΝΑΦΟΡΤΙΣΗΣ (REFRESH)

34

35

36

37

38 ΚΥΜΑΤΟΜΟΡΦΕΣ ΣΗΜΑΤΩΝ ΚΑΤΆ ΤΗΝ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΕΓΓΡΑΦΗΣ