Tutorium Rechnerorganisation

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1 Woche 9 Tutorien 3 und 4 zur Vorlesung Rechnerorganisation 1 Christian A. Mandery: KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Grossforschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Heute Halbleiterspeichertypen Aufbau und Organisation von Speicherbausteinen DRAM Übungsaufgaben 2 Christian A. Mandery:

3 Flüchtige und nicht-flüchtige Speicher Flüchtiger (volatiler) Halbleiterspeicher: Verliert Inhalt, wenn Versorgungsspannung abgeschaltet wird Statisches RAM (SRAM) Dynamisches RAM (DRAM) Quasi-statisches RAM (iram) Nicht-flüchtiger (persistenter) Halbleiterspeicher: Speichert Inhalt auch ohne Versorgungsspannung Maskenprogrammiertes ROM Programmable ROM (PROM) Erasable Programmable ROM (EPROM) Electronically Erasable Programmable ROM (EEPROM) Flash-Speicher (Flash-EEPROM) Mischformen: Kombinieren flüchtigen und nicht-flüchtigen Halbleiterspeicher Non-volatile RAM (NVRAM) 3 Christian A. Mandery:

4 Flüchtige und nicht-flüchtige Speicher Flüchtiger (volatiler) Halbleiterspeicher: Verliert Inhalt, wenn Versorgungsspannung abgeschaltet wird Statisches RAM (SRAM) Dynamisches RAM (DRAM) Quasi-statisches RAM (iram) Nicht-flüchtiger (persistenter) Halbleiterspeicher: Speichert Inhalt auch ohne Versorgungsspannung Maskenprogrammiertes ROM Programmable ROM (PROM) Erasable Programmable ROM (EPROM) Electronically Erasable Programmable ROM (EEPROM) Flash-Speicher (Flash-EEPROM) Mischformen: Kombinieren flüchtigen und nicht-flüchtigen Halbleiterspeicher Non-volatile RAM (NVRAM) 3 Christian A. Mandery:

5 Flüchtige und nicht-flüchtige Speicher Flüchtiger (volatiler) Halbleiterspeicher: Verliert Inhalt, wenn Versorgungsspannung abgeschaltet wird Statisches RAM (SRAM) Dynamisches RAM (DRAM) Quasi-statisches RAM (iram) Nicht-flüchtiger (persistenter) Halbleiterspeicher: Speichert Inhalt auch ohne Versorgungsspannung Maskenprogrammiertes ROM Programmable ROM (PROM) Erasable Programmable ROM (EPROM) Electronically Erasable Programmable ROM (EEPROM) Flash-Speicher (Flash-EEPROM) Mischformen: Kombinieren flüchtigen und nicht-flüchtigen Halbleiterspeicher Non-volatile RAM (NVRAM) 3 Christian A. Mandery:

6 Flüchtige Speichertypen RAM: Random Access Memory (wahlfreier Zugriff auf alle Speicheradressen) Statisches RAM (SRAM): Speicherelemente sind Flipflops, die meist in CMOS-Technik ( Digitaltechnik-Vorlesung) aufgebaut werden Hohe Geschwindigkeit, hoher Preis pro Speichermenge Dynamisches RAM (DRAM): Speicherelemente sind Kondensator Wegen Leckströmen periodisches Auffrischen (Refresh) notwendig Langsamer als SRAM, günstigerer Preis pro Speichermenge Quasi-statisches RAM (iram): Dynamisches RAM, bei dem eine integrierte Schaltung den Refresh automatisch durchführt (i = integriert) Können von außen daher als statisches RAM angesehen werden 4 Christian A. Mandery:

7 Flüchtige Speichertypen RAM: Random Access Memory (wahlfreier Zugriff auf alle Speicheradressen) Statisches RAM (SRAM): Speicherelemente sind Flipflops, die meist in CMOS-Technik ( Digitaltechnik-Vorlesung) aufgebaut werden Hohe Geschwindigkeit, hoher Preis pro Speichermenge Dynamisches RAM (DRAM): Speicherelemente sind Kondensator Wegen Leckströmen periodisches Auffrischen (Refresh) notwendig Langsamer als SRAM, günstigerer Preis pro Speichermenge Quasi-statisches RAM (iram): Dynamisches RAM, bei dem eine integrierte Schaltung den Refresh automatisch durchführt (i = integriert) Können von außen daher als statisches RAM angesehen werden 4 Christian A. Mandery:

8 Flüchtige Speichertypen RAM: Random Access Memory (wahlfreier Zugriff auf alle Speicheradressen) Statisches RAM (SRAM): Speicherelemente sind Flipflops, die meist in CMOS-Technik ( Digitaltechnik-Vorlesung) aufgebaut werden Hohe Geschwindigkeit, hoher Preis pro Speichermenge Dynamisches RAM (DRAM): Speicherelemente sind Kondensator Wegen Leckströmen periodisches Auffrischen (Refresh) notwendig Langsamer als SRAM, günstigerer Preis pro Speichermenge Quasi-statisches RAM (iram): Dynamisches RAM, bei dem eine integrierte Schaltung den Refresh automatisch durchführt (i = integriert) Können von außen daher als statisches RAM angesehen werden 4 Christian A. Mandery:

9 Flüchtige Speichertypen RAM: Random Access Memory (wahlfreier Zugriff auf alle Speicheradressen) Statisches RAM (SRAM): Speicherelemente sind Flipflops, die meist in CMOS-Technik ( Digitaltechnik-Vorlesung) aufgebaut werden Hohe Geschwindigkeit, hoher Preis pro Speichermenge Dynamisches RAM (DRAM): Speicherelemente sind Kondensator Wegen Leckströmen periodisches Auffrischen (Refresh) notwendig Langsamer als SRAM, günstigerer Preis pro Speichermenge Quasi-statisches RAM (iram): Dynamisches RAM, bei dem eine integrierte Schaltung den Refresh automatisch durchführt (i = integriert) Können von außen daher als statisches RAM angesehen werden 4 Christian A. Mandery:

10 Flüchtige und nicht-flüchtige Speicher Flüchtiger (volatiler) Halbleiterspeicher: Verliert Inhalt, wenn Versorgungsspannung abgeschaltet wird Statisches RAM (SRAM) Dynamisches RAM (DRAM) Quasi-statisches RAM (iram) Nicht-flüchtiger (persistenter) Halbleiterspeicher: Speichert Inhalt auch ohne Versorgungsspannung Maskenprogrammiertes ROM Programmable ROM (PROM) Erasable Programmable ROM (EPROM) Electronically Erasable Programmable ROM (EEPROM) Flash-Speicher (Flash-EEPROM) Mischformen: Kombinieren flüchtigen und nicht-flüchtigen Halbleiterspeicher Non-volatile RAM (NVRAM) 5 Christian A. Mandery:

11 Nicht-flüchtige Speichertypen ROM: Read-only Memory Masken-programmiertes ROM Wird bei der Fertigung (irreversibel) programmiert Daher nur für große Stückzahlen geeignet Programmable ROM (PROM) Einmalig mit einem Programmiergerät programmierbar Erasable Programmable ROM (EPROM) Kann mehrmals beschrieben werden Vor Wiederbeschreiben Löschung durch Beleuchtung mit UV-Licht 6 Christian A. Mandery:

12 Nicht-flüchtige Speichertypen ROM: Read-only Memory Masken-programmiertes ROM Wird bei der Fertigung (irreversibel) programmiert Daher nur für große Stückzahlen geeignet Programmable ROM (PROM) Einmalig mit einem Programmiergerät programmierbar Erasable Programmable ROM (EPROM) Kann mehrmals beschrieben werden Vor Wiederbeschreiben Löschung durch Beleuchtung mit UV-Licht 6 Christian A. Mandery:

13 Nicht-flüchtige Speichertypen ROM: Read-only Memory Masken-programmiertes ROM Wird bei der Fertigung (irreversibel) programmiert Daher nur für große Stückzahlen geeignet Programmable ROM (PROM) Einmalig mit einem Programmiergerät programmierbar Erasable Programmable ROM (EPROM) Kann mehrmals beschrieben werden Vor Wiederbeschreiben Löschung durch Beleuchtung mit UV-Licht 6 Christian A. Mandery:

14 Nicht-flüchtige Speichertypen ROM: Read-only Memory Masken-programmiertes ROM Wird bei der Fertigung (irreversibel) programmiert Daher nur für große Stückzahlen geeignet Programmable ROM (PROM) Einmalig mit einem Programmiergerät programmierbar Erasable Programmable ROM (EPROM) Kann mehrmals beschrieben werden Vor Wiederbeschreiben Löschung durch Beleuchtung mit UV-Licht 6 Christian A. Mandery:

15 Nicht-flüchtige Speichertypen Eletronically Erasable Programmable ROM (EEPROM) Kann mehrmals beschrieben werden Schreiben und Löschen erfolgt rein elektronisch, allerdings sehr langsam Flash-EEPROM Elektronisch löschbar wie EEPROM, aber nicht byte- sondern blockweise Insgesamt sehr schnell (Löschen ist die langsamste Operation) Weit verbreitet: USB-Sticks, Handys, SSDs usw. Hinweis: Die Anzahl der Schreibzyklen bei EPROM, EEPROM und Flash-EEPROM ist begrenzt, je nach Modell ca Schreibzyklen. 7 Christian A. Mandery:

16 Nicht-flüchtige Speichertypen Eletronically Erasable Programmable ROM (EEPROM) Kann mehrmals beschrieben werden Schreiben und Löschen erfolgt rein elektronisch, allerdings sehr langsam Flash-EEPROM Elektronisch löschbar wie EEPROM, aber nicht byte- sondern blockweise Insgesamt sehr schnell (Löschen ist die langsamste Operation) Weit verbreitet: USB-Sticks, Handys, SSDs usw. Hinweis: Die Anzahl der Schreibzyklen bei EPROM, EEPROM und Flash-EEPROM ist begrenzt, je nach Modell ca Schreibzyklen. 7 Christian A. Mandery:

17 Nicht-flüchtige Speichertypen Eletronically Erasable Programmable ROM (EEPROM) Kann mehrmals beschrieben werden Schreiben und Löschen erfolgt rein elektronisch, allerdings sehr langsam Flash-EEPROM Elektronisch löschbar wie EEPROM, aber nicht byte- sondern blockweise Insgesamt sehr schnell (Löschen ist die langsamste Operation) Weit verbreitet: USB-Sticks, Handys, SSDs usw. Hinweis: Die Anzahl der Schreibzyklen bei EPROM, EEPROM und Flash-EEPROM ist begrenzt, je nach Modell ca Schreibzyklen. 7 Christian A. Mandery:

18 Flüchtige und nicht-flüchtige Speicher Flüchtiger (volatiler) Halbleiterspeicher: Verliert Inhalt, wenn Versorgungsspannung abgeschaltet wird Statisches RAM (SRAM) Dynamisches RAM (DRAM) Quasi-statisches RAM (iram) Nicht-flüchtiger (persistenter) Halbleiterspeicher: Speichert Inhalt auch ohne Versorgungsspannung Maskenprogrammiertes ROM Programmable ROM (PROM) Erasable Programmable ROM (EPROM) Electronically Erasable Programmable ROM (EEPROM) Flash-Speicher (Flash-EEPROM) Mischformen: Kombinieren flüchtigen und nicht-flüchtigen Halbleiterspeicher Non-volatile RAM (NVRAM) 8 Christian A. Mandery:

19 Grundsätzliche Begriffe Speicherbausteine sind in mehrere Speicherzellen (z.b. à 32 Bit) gegliedert, die mehrere Speicherelemente (à 1 Bit) enthalten Zugriffszeit: Maximale Zeitdauer für Speicherzugriff Zykluszeit: Minimale Zeitdauer zwischen zwei Zugriffen Oft: Zykluszeit > Zugriffszeit 9 Christian A. Mandery:

20 Grundsätzliche Begriffe Speicherbausteine sind in mehrere Speicherzellen (z.b. à 32 Bit) gegliedert, die mehrere Speicherelemente (à 1 Bit) enthalten Zugriffszeit: Maximale Zeitdauer für Speicherzugriff Zykluszeit: Minimale Zeitdauer zwischen zwei Zugriffen Oft: Zykluszeit > Zugriffszeit 9 Christian A. Mandery:

21 Aufbau als Speichermatrix Anordnung der Speicherzellen oft in Matrixstruktur Auswahl einer Speicherzelle durch Angabe der Zeile (Row Address Select, RAS) und Spalte (Column Address Select, CAS) 10 Christian A. Mandery:

22 Ansteuerung von DRAM 11 Christian A. Mandery:

23 DRAM-Timingparameter 12 Christian A. Mandery:

24 DRAM-Typen Fast Page Mode (FPM) DRAM Die ausgewählte Zeile kann zwischen Zugriffen aktiv bleiben und nur die Spalte wird neu gesetzt Beschleunigung bei sequentiellen Zugriffen Extended Data Output (EDO) DRAM Ausgabe des DRAM ist gelatched Beschleunigung (Folgezugriff kann noch während dem Auslesen starten) Synchronous (S) DRAM RAM arbeitet im Systemtakt (heute Standard) Double Data Rate (DDR) SDRAM Erweiterung von SDRAM, mit Datenübertragung zweimal pro Takt (auf beiden Taktflanken) Weitere Erweiterungen (DDR2-SDRAM, DDR3-SDRAM etc.): Prefetching, niedrigere Versorgungsspannung usw. 13 Christian A. Mandery:

25 DRAM-Typen Fast Page Mode (FPM) DRAM Die ausgewählte Zeile kann zwischen Zugriffen aktiv bleiben und nur die Spalte wird neu gesetzt Beschleunigung bei sequentiellen Zugriffen Extended Data Output (EDO) DRAM Ausgabe des DRAM ist gelatched Beschleunigung (Folgezugriff kann noch während dem Auslesen starten) Synchronous (S) DRAM RAM arbeitet im Systemtakt (heute Standard) Double Data Rate (DDR) SDRAM Erweiterung von SDRAM, mit Datenübertragung zweimal pro Takt (auf beiden Taktflanken) Weitere Erweiterungen (DDR2-SDRAM, DDR3-SDRAM etc.): Prefetching, niedrigere Versorgungsspannung usw. 13 Christian A. Mandery:

26 DRAM-Typen Fast Page Mode (FPM) DRAM Die ausgewählte Zeile kann zwischen Zugriffen aktiv bleiben und nur die Spalte wird neu gesetzt Beschleunigung bei sequentiellen Zugriffen Extended Data Output (EDO) DRAM Ausgabe des DRAM ist gelatched Beschleunigung (Folgezugriff kann noch während dem Auslesen starten) Synchronous (S) DRAM RAM arbeitet im Systemtakt (heute Standard) Double Data Rate (DDR) SDRAM Erweiterung von SDRAM, mit Datenübertragung zweimal pro Takt (auf beiden Taktflanken) Weitere Erweiterungen (DDR2-SDRAM, DDR3-SDRAM etc.): Prefetching, niedrigere Versorgungsspannung usw. 13 Christian A. Mandery:

27 DRAM-Typen Fast Page Mode (FPM) DRAM Die ausgewählte Zeile kann zwischen Zugriffen aktiv bleiben und nur die Spalte wird neu gesetzt Beschleunigung bei sequentiellen Zugriffen Extended Data Output (EDO) DRAM Ausgabe des DRAM ist gelatched Beschleunigung (Folgezugriff kann noch während dem Auslesen starten) Synchronous (S) DRAM RAM arbeitet im Systemtakt (heute Standard) Double Data Rate (DDR) SDRAM Erweiterung von SDRAM, mit Datenübertragung zweimal pro Takt (auf beiden Taktflanken) Weitere Erweiterungen (DDR2-SDRAM, DDR3-SDRAM etc.): Prefetching, niedrigere Versorgungsspannung usw. 13 Christian A. Mandery:

28 DRAM-Typen Fast Page Mode (FPM) DRAM Die ausgewählte Zeile kann zwischen Zugriffen aktiv bleiben und nur die Spalte wird neu gesetzt Beschleunigung bei sequentiellen Zugriffen Extended Data Output (EDO) DRAM Ausgabe des DRAM ist gelatched Beschleunigung (Folgezugriff kann noch während dem Auslesen starten) Synchronous (S) DRAM RAM arbeitet im Systemtakt (heute Standard) Double Data Rate (DDR) SDRAM Erweiterung von SDRAM, mit Datenübertragung zweimal pro Takt (auf beiden Taktflanken) Weitere Erweiterungen (DDR2-SDRAM, DDR3-SDRAM etc.): Prefetching, niedrigere Versorgungsspannung usw. 13 Christian A. Mandery:

29 Übungsaufgabe 1 1. Wie werden EPROM- und EEPROM-Bausteine gelöscht? 2. Wie wird die Information eines Bits in statischen und dynamischen RAM-Bausteinen gespeichert? Wie unterschieden sich statische und dynamische RAM-Bausteine bezüglich des elektrischen Verhaltens? 3. Warum werden dynamische RAM-Bausteine als Hauptspeicher und statische RAM-Bausteine für Cache-Speicher eingesetzt? 14 Christian A. Mandery:

30 Übungsaufgabe 1 1. Wie werden EPROM- und EEPROM-Bausteine gelöscht? 2. Wie wird die Information eines Bits in statischen und dynamischen RAM-Bausteinen gespeichert? Wie unterschieden sich statische und dynamische RAM-Bausteine bezüglich des elektrischen Verhaltens? 3. Warum werden dynamische RAM-Bausteine als Hauptspeicher und statische RAM-Bausteine für Cache-Speicher eingesetzt? 14 Christian A. Mandery:

31 Übungsaufgabe 1 1. Wie werden EPROM- und EEPROM-Bausteine gelöscht? 2. Wie wird die Information eines Bits in statischen und dynamischen RAM-Bausteinen gespeichert? Wie unterschieden sich statische und dynamische RAM-Bausteine bezüglich des elektrischen Verhaltens? 3. Warum werden dynamische RAM-Bausteine als Hauptspeicher und statische RAM-Bausteine für Cache-Speicher eingesetzt? 14 Christian A. Mandery:

32 Übungsaufgabe 2 Gegeben sei die folgende Belegung eines 64kB-Adressraums: 1. Geben Sie die Anfangs- und Endadressen der Speicherbereiche in hexadezimaler Schreibweise an. 2. Geben Sie die für die Bereichsauswahl erforderliche Unterteilung der 16-Bit-Adresse für jeden der Bereiche und die Werte der für die Bereichsauswahl signifikanten Bits an. 3. Wie ändern sich die Adressfestlegungen zur Auswahl der beiden Ein-/Ausgabebereiche, wenn diese an den Anfang des letzten 1kB-Bereichs des Adressraums verschoben werden? 15 Christian A. Mandery:

33 Übungsaufgabe 2 Gegeben sei die folgende Belegung eines 64kB-Adressraums: 1. Geben Sie die Anfangs- und Endadressen der Speicherbereiche in hexadezimaler Schreibweise an. 2. Geben Sie die für die Bereichsauswahl erforderliche Unterteilung der 16-Bit-Adresse für jeden der Bereiche und die Werte der für die Bereichsauswahl signifikanten Bits an. 3. Wie ändern sich die Adressfestlegungen zur Auswahl der beiden Ein-/Ausgabebereiche, wenn diese an den Anfang des letzten 1kB-Bereichs des Adressraums verschoben werden? 15 Christian A. Mandery:

34 Übungsaufgabe 2 Gegeben sei die folgende Belegung eines 64kB-Adressraums: 1. Geben Sie die Anfangs- und Endadressen der Speicherbereiche in hexadezimaler Schreibweise an. 2. Geben Sie die für die Bereichsauswahl erforderliche Unterteilung der 16-Bit-Adresse für jeden der Bereiche und die Werte der für die Bereichsauswahl signifikanten Bits an. 3. Wie ändern sich die Adressfestlegungen zur Auswahl der beiden Ein-/Ausgabebereiche, wenn diese an den Anfang des letzten 1kB-Bereichs des Adressraums verschoben werden? 15 Christian A. Mandery:

35 Fertig! 16 Christian A. Mandery:

Nicht flüchtige Speicher: Nicht löschbar: ROM, PROM (z.b. System). löschbar: EPROM, EEPROM, Flash (z.b. BIOS).

Nicht flüchtige Speicher: Nicht löschbar: ROM, PROM (z.b. System). löschbar: EPROM, EEPROM, Flash (z.b. BIOS). 3. Speicher 3.1. Überblick Entwicklung: Speicherchips Chip-Kapazität: 256 kbit (ca. 1988) 4 GBit (2001, nicht in Serie). Zugriffszeiten: 250ns (1980), 145 ns (1992), 70ns (1994), 7ns (heute). Ursprüngliche

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