Einführung in Computer Microsystems 8. Speicher, PLLs, Busse
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- Eike Rothbauer
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1 Einführung in Computer Microsystems 8. Speicher, PLLs, Busse Prof. Dr.-Ing. Sorin A. Huss Fachbereich Informatik Integrierte Schaltungen und Systeme SS 2009 Integrierte Schaltungen und Systeme Einführung in Computer Microsystems Prof. Dr.-Ing. Sorin A. Huss 1
2 Inhalt Strukturen von Speichern Speicherbus-Protokolle Modellierung von Speichern in VHDL Speicher in FPGAs Takterzeugung und PLLs Busse SS 2009 Integrierte Schaltungen und Systeme Einführung in Computer Microsystems Prof. Dr.-Ing. Sorin A. Huss 2
3 Strukturen von Speichern Speicher werden in mikroelektronischen Systemen in unterschiedlichster Ausprägung verwendet. z. B. zum Speichern von Konfigurationen (flüchtig/nichtflüchtig) Zum Speichern von Daten, die bei Berechnungen anfallen (ggf. Geschwindigkeit der Speicher wird zum Flaschenhals) FPGAs besitzen sowohl Speicher für Daten als auch für die Konfiguration des FPGAs selbst Kongurationsspeicher (für CLBs, Verbindungen) können üchtig sein auch nichtüchtige Speicher kommen zum Einsatz Speicher zur Realisierung der Komponenten in einer Implementierung Read-Only-Memory (ROM) Random-Access-Memory (RAM) First In First Out (FIFO) SS 2009 Integrierte Schaltungen und Systeme Einführung in Computer Microsystems Prof. Dr.-Ing. Sorin A. Huss 3
4 Read-Only-Memory (ROM) Ein ROM wird eigentlich nur gelesen aber einmal muß es auch geschrieben werden CD-ROM DVD-ROM Halbleiter-ROMs Realisierung: maskenprogrammierbar - hohe Stückzahl für Wirtschaftlichkeit MOS-Anreicherungstransistor Realisierung (s. nächste Folie): Diodenmatrix 1 Raster von Leiterbahnen, wobei an entsprechenden Stellen Dioden verbaut wurden Vorhandene Diode wird als logische 1 interpretiert Speicher ist nur auszulesen und nicht veränderbar 1 diode matrix SS 2009 Integrierte Schaltungen und Systeme Einführung in Computer Microsystems Prof. Dr.-Ing. Sorin A. Huss 4
5 Read-Only-Memory (ROM) PROMs - programmable ROMs Diodenmatrix Anschlussbeine der Dioden sind so dünn, dass sie bei groÿem Stromuss durchbrennen PROM hatte zuerst alle Bits auf 1 gesetzt nachträglich konnte man die 0 einbrennen SS 2009 Integrierte Schaltungen und Systeme Einführung in Computer Microsystems Prof. Dr.-Ing. Sorin A. Huss 5
6 Read-Only-Memory (ROM) EPROM - electronically programmable ROM modernere Variante des PROMs Raster von speziellen Floating-Gate-Transistoren Neben Steuer-Gate besitzt Transistor noch ein Floating-Gate Floating-Gate ist von Substrat umgeben und kann für längere Zeit Ladung speichern Verschiebung der Durchschaltspannung, unterschiedliche Zustände Löschung mittels ultraviolettem Licht SS 2009 Integrierte Schaltungen und Systeme Einführung in Computer Microsystems Prof. Dr.-Ing. Sorin A. Huss 6
7 Read-Only-Memory (ROM) EEPROM - electronically erasable PROM selbes Prinzip wie EPROM Speicher kann elektronisch gelöscht werden sehr dünnes Floating-Gate ein Impuls hoher Spannung kann den Ursprungszustand wieder herstellen Löschvorgänge sind langsam und setzen dem Material zu ca Schreibzyklen möglich Flash-EEPROM nicht einzelne Bits, sondern Blockstruktur SS 2009 Integrierte Schaltungen und Systeme Einführung in Computer Microsystems Prof. Dr.-Ing. Sorin A. Huss 7
8 Random-Access-Memory (RAM) RAM Speicher ist flüchtig es gibt unterschiedliche Arten von RAM Speichern Statisches RAM Dynamisches RAM außerdem synchrone, asynchrone RAMs DDR-RAM - sowohl bei der steigenden wie bei der fallenden Flanke des Taktes werden Datenworte gelesen oder geschrieben (Double Data Rate) trotz stetiger Weiterentwicklung ist Speicher im Vergleich zum Prozessortakt langsam, Speicher ist sehr oft der Flaschenhals Shared Memory Systeme/Distributed Shared Memory Systeme SS 2009 Integrierte Schaltungen und Systeme Einführung in Computer Microsystems Prof. Dr.-Ing. Sorin A. Huss 8
9 Statisches RAM Koppelt man zwei Inverter gegeneinander, so ergibt sich ein Speichereffekt Aufbau einer statischen RAM Zelle 0 an der Datenleitung (DATA) sowie an der Adressleitung, ergibt an der Leitung DATA eine 1 Der Wert bleibt erhalten, wenn sich der Wert der Adressleitung ändert - statisches RAM (SRAM) SS 2009 Integrierte Schaltungen und Systeme Einführung in Computer Microsystems Prof. Dr.-Ing. Sorin A. Huss 9
10 Statisches RAM Realisierung der Inverter mit zwei Feldeffekttransistoren 6-T-Zelle Anwendung von SRAM Speichern Cache Im Vergleich zum DRAM (nächste Folien) schneller als DRAM teurer gröÿerer Platzbedarf SS 2009 Integrierte Schaltungen und Systeme Einführung in Computer Microsystems Prof. Dr.-Ing. Sorin A. Huss 10
11 Dynamisches RAM Dynamisches RAM (DRAM) verwendet zur Speicherung der Information einen Kondensator Kondensator speichert ein Bit (z. B. geladen bedeutet 1, ungeladen 0) Laden des Kondensators benötigt Zeit, entladen auch, außerdem muß Kondensator refresht werden SS 2009 Integrierte Schaltungen und Systeme Einführung in Computer Microsystems Prof. Dr.-Ing. Sorin A. Huss 11
12 Dynamisches RAM Ladevorgang des Kondensators Entladevorgang gleicher Effekt Kleiner Kondensator und kleiner Widerstand, schnell aufgeladen Außerdem entlädt sich der Kondensator mit der Zeit, die Ladung muß erneuert (refreshed) werden SS 2009 Integrierte Schaltungen und Systeme Einführung in Computer Microsystems Prof. Dr.-Ing. Sorin A. Huss 12
13 Dynamisches RAM - Refresh Die Abstände zwischen einem Refresh müssen klein genug sein, um sicherzustellen, dass in der Zwischenzeit kein Kondensator so viel Ladung verloren haben kann, dass die logische Interpretation des Ladungsstandes falsch wäre. Da die Kondensatoren (in der Praxis) sehr klein sind, können sie nur wenig Ladung speichern. Deswegen muß der Refresh häufig ausgeführt werden Minimalwert (vgl. Buch Digitaltechnik, S. 181) alle 64 ms (ca. 15 Hz) Refresh-Logik kann auf Speicher integriert sein DRAM ist langsamer als SRAM, läßt aber höhere Integrationsdichte zu SS 2009 Integrierte Schaltungen und Systeme Einführung in Computer Microsystems Prof. Dr.-Ing. Sorin A. Huss 13
14 Speicherbus-Protokolle Notwendige Anschlüsse eines SRAM-Bausteins Adressleitungen, um Zellen auszuwählen Datenleitungen eine Chipauswahlleitung CS (engl. chip select) eine Schreibleitung WE (engl. write enable) eine Leseleitung OE (engl. output enable) CS, WE und OE sind activ-low (angedeutet durch die Negierung der Signalnamen) Solange ein Chip nicht ausgewählt ist (CS ist auf 1), sind seine Ausgabeleitungen (DATA) hochohmig Steuerung des Chips im wesentlichen über CS SS 2009 Integrierte Schaltungen und Systeme Einführung in Computer Microsystems Prof. Dr.-Ing. Sorin A. Huss 14
15 Speicherbus-Protokolle Schreib- und Lesezyklen SRAM Auslesen des Speichers über OE. Verzögerungszeiten des Speichers durch Schattierung dargestellt Beim Schreiben müssen Adressen und Daten vor der Übernahme stabil anliegen Beim Lesen dauert es nach der Änderung von CS noch eine Zeit, bis die gültigen Daten anliegen. SS 2009 Integrierte Schaltungen und Systeme Einführung in Computer Microsystems Prof. Dr.-Ing. Sorin A. Huss 15
16 Speicherbus-Protokolle Zusammenfassung von Adressleitungen am Speicherbus für Reihen- und Spaltenadressen Adressdaten für Reihen- und Spaltenadressen werden dann nacheinander übertragen (Zeitmultiplex) Row- und Column-Address-Strobe Vorteil: Die Anzahl der Adressleitungen wird reduziert Nachteil: aufwendigere Steuerung wird z. B. in DRAM-Realisierungen verwendet SS 2009 Integrierte Schaltungen und Systeme Einführung in Computer Microsystems Prof. Dr.-Ing. Sorin A. Huss 16
17 Speicherbus-Protokolle Schreib- und Lesezyklen DRAM Speicheradresse wird aufgeteilt in Zeilenadresse und Spaltenadresse Nach dem Anlegen der Zeilenadresse wird das Row-Address-Strobe (RAS) gesetzt Spaltenadresse wird durch das Column-Address-Strobe (CAS) signalisiert SS 2009 Integrierte Schaltungen und Systeme Einführung in Computer Microsystems Prof. Dr.-Ing. Sorin A. Huss 17
18 Modellierung von Speichern in VHDL Das Verhalten (auch zeitbehaftetes) von Speicher kann natürlich in VHDL beschrieben werden Außerdem können für die Synthese von Schaltungen mit den gängigen Entwicklungstools (Xilinx ISE, Altera Quartus II) Primitiven für Speicher erzeugt werden. Speicher in System können bei der Zieltechnologie FPGA auf zwei Arten realisiert werden Benutzung der CLBs, LEs - Flip-Flop Nutzung dedizierter Speicher auf dem FPGA - sogenannte eingebettete Speicher Viele verschiedene Varianten konfigurierbar Single-Port-Speicher Dual-Port-Speicher ROM-Speicher Taktung von Eingängen, Ausgängen etc. SS 2009 Integrierte Schaltungen und Systeme Einführung in Computer Microsystems Prof. Dr.-Ing. Sorin A. Huss 18
19 Beschreibung eines ROM Speichers e n t i t y ROM_16_x_4 i s P o r t ( a d d r e s s : i n STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0 ) ; data : o u t STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0 ) ) ; end ROM_16_x_4; a r c h i t e c t u r e B e h a v i o r a l o f ROM_16_x_4 i s t y p e ROM_t i s a r r a y (15 downto 0) o f s t d _ l o g i c _ v e c t o r (3 downto 0 ) ; s i g n a l ROM : ROM_t; b e g i n data <= ROM(CONV_INTEGER( a d d r e s s ) ) ; F ü r T e s t z w e c k e ROM <= ( " 0000 ", " 0100 ", " 0110 ", " 0101 ", " 1101 ", " 1010 ", " 1001 ", " 1000 ", " 0001 ", " 1011 ", " 0010 ", " 1100 ", " 0100 ", " 1000 ", " 0010 ", " 1111 " ) ; end B e h a v i o r a l ; adaptiert aus Advanced Digital Design with the Verilog HDL S. 424 SS 2009 Integrierte Schaltungen und Systeme Einführung in Computer Microsystems Prof. Dr.-Ing. Sorin A. Huss 19
20 Beschreibung eines SRAM Speichers e n t i t y sram i s P o r t ( a d d r e s s : i n STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0 ) ; CS : i n STD_LOGIC ; WE : i n STD_LOGIC ; OE : i n STD_LOGIC ; data : i n o u t STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0 ) ) ; end sram ; a r c h i t e c t u r e B e h a v i o r a l o f sram i s t y p e SRAM_t i s a r r a y (15 downto 0) o f s t d _ l o g i c _ v e c t o r (7 downto 0 ) ; s i g n a l memory : SRAM_t ; b e g i n data <= memory (CONV_INTEGER( a d d r e s s ) ) when ( ( n o t CS) and ( n o t OE) ) = ' 1 ' e l s e ( o t h e r s => 'Z ' ) ; p r o c e s s (CS, WE) b e g i n i f ( ( n o t CS) and ( n o t WE) ) = ' 1 ' t h e n memory (CONV_INTEGER( a d d r e s s ) ) <= data ; end i f ; end p r o c e s s ; end B e h a v i o r a l ; adaptiert aus Digitaltechnik S. 184 SS 2009 Integrierte Schaltungen und Systeme Einführung in Computer Microsystems Prof. Dr.-Ing. Sorin A. Huss 20
21 Beschreibung eines DRAM Speichers entity dram i s Port ( a d d r e s s : in STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0 ) ; RAS, CAS, WE, OE : i n STD_LOGIC ; data : i n o u t STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0 ) ) ; end dram ; architecture B e h a v i o r a l of dram i s type DRAM_t i s array (15 downto 0, 15 downto 0) of std_logic_vector (7 downto 0 ) ; s i g n a l memory : DRAM_t; s i g n a l row, column : s t d _ l o g i c _ v e c t o r (3 downto 0 ) ; b e g i n data <= memory (CONV_INTEGER( row ),CONV_INTEGER( column ) ) a f t e r 4ns when ( not OE) = '1 ' e l s e ( o t h e r s => 'Z ' ) a f t e r 4 ns ; p r o c e s s (RAS) b e g i n i f (RAS ' event and RAS = '0 ' ) t h e n row <= a d d r e s s ; end i f ; end process ; p r o c e s s (CAS) b e g i n i f (CAS ' event and CAS = '0 ' ) t h e n column <= a d d r e s s ; end i f ; end process ; p r o c e s s (WE) b e g i n i f (WE' event and WE = '0 ' ) t h e n memory (CONV_INTEGER( row ),CONV_INTEGER( column ) ) <= data ; end i f ; end process ; end Behavioral ; Verzögerung vier Zeiteinheiten SS 2009 Integrierte Schaltungen und Systeme Einführung in Computer Microsystems Prof. Dr.-Ing. Sorin A. Huss 21
22 Strukturen von FPGAs eingebettete Speicherblöcke, Single-Port Speicher RAM 32x1S A[4] A[3:0] (BX) 4 G[4:1] RAM WG[4:1] D D WE WCLK (BY) (SR) WS WSG WE0 WE CK WSF DI F5MUX D Q Output Registered Output 4 WS DI RAM D F[4:1] WF[4:1] (optional) DS083-2_10_ entnommen aus Virtex Datenblatt SS 2009 Integrierte Schaltungen und Systeme Einführung in Computer Microsystems Prof. Dr.-Ing. Sorin A. Huss 22
23 Strukturen von FPGAs eingebettete Speicherblöcke, Dual-Port Speicher RAM 16x1D DPRA[3:0] A[3:0] 4 4 dual_port RAM G[4:1] D WG[4:1] DPO D (BY) WS DI WSG WE CK A[3:0] 4 dual_port RAM G[4:1] D SPO WG[4:1] WS DI WE WCLK (SR) WSG WE CK DS031_04_ entnommen aus Virtex Datenblatt SS 2009 Integrierte Schaltungen und Systeme Einführung in Computer Microsystems Prof. Dr.-Ing. Sorin A. Huss 23
24 Nutzung durch Entwicklungstools I New Source Wizard, IP (CORE Generator & Architecture Wizard) Memories & Storage Elements, Block Memory Generator v2.7 SS 2009 Integrierte Schaltungen und Systeme Einführung in Computer Microsystems Prof. Dr.-Ing. Sorin A. Huss 24
25 Nutzung durch Entwicklungstools II Generierung von verzögerten Ausgängen Vorgabe von Speicherinhalt durch dedizierte Dateien (MIF) SS 2009 Integrierte Schaltungen und Systeme Einführung in Computer Microsystems Prof. Dr.-Ing. Sorin A. Huss 25
26 Nutzung durch Entwicklungstools III Für den zu entwickelnden Prozessor wird ein solcher Speicher benötigt. Speicherbelegung generiert ein Assembler. Teilweise sehr gute Möglichkeiten der Fehlersuche durch Speichermonitore Tools erlauben Zugriff auf eingebettete Speicher des FPGAs SS 2009 Integrierte Schaltungen und Systeme Einführung in Computer Microsystems Prof. Dr.-Ing. Sorin A. Huss 26
27 Takterzeugung und PLLs I Takterzeugung erfolgt physikalisch z. B. durch einen Quarz Quarz hat eine Taktfrequenz von 50 MHz Entwickeltes System ist so kompliziert, dass nur ein Takt von 25 MHz möglich ist Wie erreicht man eine Taktteilung? Z. B. durch rückgekoppeltes Flip-Flop SS 2009 Integrierte Schaltungen und Systeme Einführung in Computer Microsystems Prof. Dr.-Ing. Sorin A. Huss 27
28 Takterzeugung und PLLs II Quarz hat eine Taktfrequenz von 50 MHz Taktfrequenz z. B. auf 1 Hz teilen? Naive Lösung: viele rückgekoppelte Flip-Flops in Reihe schalten Unpraktikabel: lange Durchlaufzeit, Resourcenverschwendung an CLBs Bessere Lösung: Zähler mit verschiedenen Abgriffen SS 2009 Integrierte Schaltungen und Systeme Einführung in Computer Microsystems Prof. Dr.-Ing. Sorin A. Huss 28
29 Takterzeugung und PLLs III Verschiedene Taktfrequenz ergeben sich durch unterschiedliche Abgriffe e n t i t y t e i l e r i s P o r t ( c l k i n : i n STD_LOGIC ; c l k o u t 1, c l k o u t 2, c l k o u t 3 : o u t STD_LOGIC ) ; end t e i l e r ; a r c h i t e c t u r e b e h a v i o r o f t e i l e r i s s i g n a l c o u n t e r : s t d _ l o g i c _ v e c t o r (24 downto 0) := ( o t h e r s => ' 0 ' ) ; b e g i n c l k o u t 1 <= c o u n t e r ( 2 4 ) ; c l k o u t 2 <= c o u n t e r ( 2 3 ) ; c l k o u t 3 <= c o u n t e r ( 1 8 ) ; p r o c e s s ( c l k i n ) b e g i n i f ( c l k i n ' e v e n t and c l k i n = ' 1 ' ) t h e n counter <= counter + 1 ; end i f ; end p r o c e s s ; end b e h a v i o r ; SS 2009 Integrierte Schaltungen und Systeme Einführung in Computer Microsystems Prof. Dr.-Ing. Sorin A. Huss 29
30 Takterzeugung und PLLs II DCM - Digital Clock Manager, IP - Core SS 2009 Integrierte Schaltungen und Systeme Einführung in Computer Microsystems Prof. Dr.-Ing. Sorin A. Huss 30
31 Busse Datenbusse/Adressbusse Bei der parallelen Verschaltungen z. B. mehrerer Speicher (Auswahl der Speicher z. B. über CS) muß es die Möglichkeit geben, dass sich die Speicher vom Bus abkoppeln können. Struktur des FPGAs unterstützt Tri(Three)-State Logik. Jeder CLB (Virtex-II Pro) enthält zwei Tri-State-Treiber e n t i t y t h r e e s t a t e i s P o r t ( e n a b l e, i : i n s t d _ l o g i c ; o : o u t s t d _ l o g i c ) ; end t h r e e s t a t e ; a r c h i t e c t u r e b e h a v i o r o f t h r e e s t a t e i s b e g i n o <= i when ( e n a b l e = ' 1 ' ) e l s e 'Z ' ; end b e h a v i o r ; SS 2009 Integrierte Schaltungen und Systeme Einführung in Computer Microsystems Prof. Dr.-Ing. Sorin A. Huss 31
32 Busse/Adressdecoder Adressdecoder Bei der Zusammenschaltung von Speichern gibt es z. B. auch die Möglichkeit, ROM und RAM an denselben Adressbus und Datenbus anzuschließen. Dekodierung der Adressen setzt dann Signale wie CS Prinzip eines Dekoders in VHDL e n t i t y d e c o d e r i s P o r t ( i : i n s t d _ l o g i c _ v e c t o r (1 downto 0 ) ; o : o u t s t d _ l o g i c _ v e c t o r (3 downto 0 ) ) ; end decoder ; a r c h i t e c t u r e b e h a v i o r o f d e c o d e r i s b e g i n w i t h i s e l e c t o <= " 0001 " when "00", " 0010 " when "01", " 0100 " when "10", " 1000 " when "11", " 0000 " when o t h e r s ; end b e h a v i o r ; SS 2009 Integrierte Schaltungen und Systeme Einführung in Computer Microsystems Prof. Dr.-Ing. Sorin A. Huss 32
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