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1 Speicher (1) Definition: Speichern ist die kurz- oder langfristige Änderung einer oder mehrerer physikalischer Eigenschaften einer Materie durch ein externes Ereignis. zur Realisierung eines Rechnerspeichers benötigt man eine Materie mit physikalischen Eigenschaften, die verändert werden können und deren Änderung von außen erkannt werden kann.

2 Speicher (2) Terminologie: Speicherzelle: kleinste Informationseinheit physikalische Adresse: Ortsangabe für eine Speicherzelle (im Unterschied zur rechnererzeugten logischen Adresse eines Operanden) Zugriffszeit: Zeit um ein Datum aus einer Speicherzelle zu lesen Random Access Memory (RAM): Die Zugriffszeit für eine Speicherzelle ist unabhängig von ihrer Lage im Speicher Serial Access: sequentieller Speicher, z.b. Umlaufspeicher, Magnetband, Magnetblasenspeicher

3 Speicher (3) Terminologie: flüchtiger Speicher: bei Wegnahme der Energiequelle geht der Inhalt verloren Read Only Memory (ROM): Speicherinhalt ist unter normalen Einsatzbedingungen nicht änderbar ROM ist nichtflüchtig statischer Speicher: Speicherinhalt bleibt bestehen, sofern er nicht überschrieben wird Bei flüchtigem Speicher die Energiequelle nicht entfernt wird dynamischer Speicher: Speichert Informationen nur während kurzer Zeiten Speicherinhalt muss periodisch aufgefrischt werden

4 Speicher (4) Speichertechnologien: Technologie Beispiel Elektrisch mit Feedback Elektrisch mit gespeicherter Ladung Magnetisch Strukturell Räumlich Optisch Flip-Flop Dynamischer Halbleiterspeicher (Grundelemente: Kondensatoren) Kernspeicher, Magnetband, Plattenspeicher Lochkarten, Lochstreifen Magnetblasenspeicher Compact Disc

5 Speicher (5) Halbleiterspeicher fabriziert auf Siliziumchips identischer Herstellungsprozess wie bei Mikroprozessoren ohne Halbleiterspeicher keine Mikroprozessorrevolution wesentliche Merkmale: geringe Kosten hohe Dichte (gemessen in Bits per Chip) einfache Nutzung

6 Speicher (6) Statischer Speicher: Eigenschaften: einfacherer Entwurf größere Zuverlässigkeit höhere Kosten Einsatz als kleiner oder mittelgroßer Speicher Beispiel: statischer Speicher Typ Organisation: 32K x 8 (256 kbit) (z.b. Hitachi HM62256B) A14 A12 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 I/O0 I/O1 I/O2 V SS HM62256BLP/BLFP/BLSP Series Pin Description Pin Name A0 to A14 I/O0 to I/O7 CS WE OE V V CC SS NC (Top view) Function Address input Data input/output Chip select Write enable Output enable Power supply Ground No connection V CC WE A13 A8 A9 A11 OE A10 CS I/O7 I/O6 I/O5 I/O4 I/O3

7 Speicher (7) Blockschema der internen Schaltung: (MSB) A12 A5 A7 A6 A8 A13 A14 Row Decoder Memory Matrix V V CC SS A4 (LSB) A3 Signalbezeichnungen und deren Funktion: Signal A0 to A14 I/O0 to I/O7 CS WE OE V CC Function Address input Data input/output Chip select Write enable Output enable Power supply I/O0 I/O7 Input Data Control A2 A1 A0 A10 A9 A11 (LSB) Column I/O Column Decoder (MSB) V SS NC Ground No connection CS WE Timing Pulse Generator Read/Write Control OE

8 Speicher (8) Verbindung eines SRAM Typ mit einer CPU: Address bus Lower byte A 01 - A 15 A 0 - A 14 D 00 - D 15 Daten bus D 00 - D Kx8 RAM D 0 - D 7 R/W W OE CS 0 Upper byte A 0 - A 14 D 08 - D Kx8 RAM D 0 - D 7 LDS UDS W OE CS 0 A 16 - A 23 Address decoder

9 Speicher (9) Zeitdiagramm des Lesezyklus: A Time Read cycle time > 80 ns B Address from CPU 1 0 Address valid CS 1 0 C 1 E F D Data from memory 0 Bus floating Read access time < 80 ns Data hold time

10 Speicher (10) Zeitdiagramm des Schreibzyklus: A Read cycle time > 80 ns B Address from CPU 1 0 Address valid CS 1 0 R/W Data set-up time Data hold time

11 Speicher (11) Adressraum und Speicherblöcke: Bottom of memory Program 1 16K location 2 16 = unique memory locations 3FFF FFF Program 2 4K location bit data Top of memory E000 FFFF Program 3 8K location

12 Speicher (12) Verbindung zweier 1K x 8 - Speicher mit einem 16 Bit - Adressbus: A 15 A 14 A 9 A bit system address bus A0 - A15 A 0 A 0 A 1 A 9 M 1 1K x 8 A 0 A 1 A 9 CS 1 M 2 1K x 8 CS bit system data bus D 0 - D 7

13 Speicher (13) Partielle Adresskodierung: A 15 A 14 A 10 A10 - A14 not used (i.e. undecoded) A 9 A 0 A0 - A9 select a location within the RAM A 0 A 9 M 1 1K x 8 A 0 A 9 CS 1 CS 2 M 2 1K x 8 system data bus

14 Speicher (14) 0000 Die entsprechende Speicherblockstruktur: 1K 03FF 0400 M 1 07FF M 1 M M 1 is repeated 32 times in the memory space FFF 7BFF 7C00 M 1 M 1 7FFF 8000 M 2 83FF 8400 M 2 F7FF F M 2 M 2... M 2 is repeated 32 times in the memory space 8000-FFFF FBFF FC00 M 2 FFFF

15 Speicher (15) Beispiel eines Byte-organisierten Speichers: D 00 - D 15 Data bus D 00 - D 07 D 08 - D 15 Lower byte Upper byte

16 Speicher (16) Beispiel eines Bit-organisierten Speichers: Data bus D 00 - D 15 D 0 0 D D 1 5 D CS D CS D CS 16K x 1 R/W 16K x 1 R/W... 16K x 1 R/W A 0 A 1 A A 01 A 02 A 14 A 0 A 1 A A 01 A 02 A 14 A 0 A 1 A A 01 A 02 A 14 R/W Address bus A 0 - A 23 CS

17 Speicher (17) Dynamischer Speicher: Eigenschaften: Blochschema der internen Schaltung: Höhere Dichte geringere Kosten komplexerer Entwurf RAS Clock gen no. 1 Write clock gen W Einsatz als Arbeitsspeicher CAS Refresh control clock Clock gen no. 2 Bauform und Anschlusspins: D A 8 W RAS A 0 A 2 A V SS CAS A 6 A 3 A 4 A 5 Q A 0 A 1 A 2 A 3 A 4 A 5 A 6 A 7 A 8 Internal address counter 9-bit latch (col.) 9-bit latch (row) Row decoder Column decoder Sense amps I/O gating 262,144-bit storage cell Data in buff. Data out buff. D Q V CC V CC 8 9 A 7 V SS (262144x1)

18 Speicher (18) Kontrolllogik für einen 256K dynamischen Speicher: MSEL A 0... A 8 Row address latch 8 18-bit address from CPU Address MUX O 0... O 8 DRAM address A 9... A 17 Column address latch 8 8 LE CLR Refresh address generator TC RSEL 0 RSEL 1 Bank select latch RASI RAS decode RAS 1 RAS 2 RAS 3 Select one of four banks of DRAM RAS 4 RFSH CASI CAS Buffer CASO CAS of all banks of DRAM

19 Speicher (11a)(19) Schwächen des dynamischen Speichers: benötigt mehr Strom anfällig für Verunreinigung durch Alphapartikel (Heliumkerne) - sorgfältige Qualitätskontrolle - Anwendung fehlerkorrigierender Codes (ECC RAM) Anwendung verschiedener RAM-Typen: dynamischer RAM: Workstations, Mainframes, PC s statischer RAM: single-board Mikrocontroller, High-speed Computer Cache Speicher

20 Speicher (12)(20) Read-Only-Memory (ROM): Halbleitertechnologie ist sehr gut geeignet zur Produktion dieser Speicherchips noch einfacher als statischer RAM oft eingesetzt zur Speicherung von Systemsoftware bei Mikroprozessoren Applikationssoftware bei Mikrocontrollern Verschiedene Typen von ROM s: maskenprogrammiert (seitens des Herstellers während der Produktion) PROM (Programmable Read Only Memory) Kann einmalig programmiert werden EPROM (Eraseable Prgrammable ROM) Kann mittels UV-Strahlen gelöscht werden EEPROM (Elektrisch löschbarer PROM) Flash-ROM (Elektrisch löschbarer ROM) Alles gleichzeitig löschbar (bulk erase) oder sektorweise (sector erase)

21 Speicher (21)

22 Speicher (22)

23 Speicher (23)

24 Speicher (24)

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