Speichertechnologien. Über das richtige Ablegen von Bits & Bytes. A. Steininger / TU Wien

Transkript

1 Speichertechnologien Über das richtige Ablegen von Bits & Bytes

2 Überblick Funktionsprinzipien von Speichern Klassifikation von Speichern ROM, SRAM, DRAM, MRAM: Aufbau, Varianten, Anwendung, Timing Multiport-RAM und FIFO Error Detection & Correction 2

3 Digitaler Speicher: Prinzip Für jedes Bit gibt es einen Informationsträger mit zwei klar unterscheidbaren Spannungspegeln / Ladungszuständen Magnetisierungsrichtungen Optischen Reflexionseigenschaften Topologien... 3 Die strukturierte Anordnung solcher Informationsträger bildet einen Speicher.

4 Beispiel: Optischer Speicher Pit (Vertiefung) reflektiert schlecht, Land gut 4

5 Lesen und Schreiben Das Programmieren / Schreiben ist im Betrieb möglich => Read/write memory ist im Betreib nicht mehr möglich => Read-only Memory (ROM) Daten sind non-volatile & schreibgeschützt Das Auslesen der Speicherinhalte ist im Betrieb immer möglich macht ein Write-only Memory (WOM) Sinn? 5

6 Random Access bedeutet wahlfreien Zugriff auf jeden Inhalt (Adresse) bei gleicher Zugriffszeit Gegenbeispiel: sequentieller Zugriff FILO (Stack): x,y,z z,y,x z y x FIFO: x,y,z z y x x,y,z 6

7 Non-Volatile Memory (NVM) bezeichnet nicht-flüchtigen Speicher: Speicherinhalte bleiben nach Abschalten der Spannungsversorgung erhalten Beispiele: ROM, Harddisk, CDROM, Gegensatz: volatile Memory ( flüchtiger Speicher) Beispiele: SRAM, DRAM 7

8 Speichertypen: Überblick elektrisch magn. opt. volatile non-volatile sequ. random access FIFO, FILO RAM ROM statisch dynamisch PROM EPROM EEPROM multiport single-port FPM EDO SDRAM DDR MRAM, Harddisk, Floppy, DAT, Tape CD, CDROM, DVD 8

9 Überblick Funktionsprinzipien von Speichern Klassifikation von Speichern ROM, SRAM, DRAM, MRAM: Aufbau, Varianten, Anwendung, Timing Multiport-RAM und FIFO Error Detection & Correction 9

10 Read-only Memory: Funktion Ein Eingangsmuster ( Adresse ) wird durch eine kombinatorische Funktion auf ein Ausgangsmuster ( Daten ) abgebildet 2 n x b ROM : Adresse... A n- A n-2 A 2 D b- D b-2... D Datenwort A D A

11 Read-only Memory: Anwendung Befehlscode für Prozessor Beliebige kombinatorische Funktion Wahrheitstabelle Tabelle für Berechnung (Multiplikation) Linearisierung Transformation

12 EPROM als Befehlsspeicher Address Data x8 add r,r2,r5 x9 cmp r2,r,r4 xa beq r4,r7,r3 xb or r6,r7,r5 xc addi r,x2,r2 xd cmp r,r,r EPROM 2

13 Wahrheitstabelle mit ROM Adresse Datenbits A2 A A D D D = A2 A A D = (A2 A) A2 A A ROM 8 x 2 D D 3

14 Gray-Decoder mittels ROM Binärcode Gray-Code A2 A A D2 D D A2 D2 A A ROM 8 x 3 D D 4

15 Multiplikation mittels ROM A7 D7 i j A6 A5 A4 A3 A2 A ROM 256 x 8 D6 D5 D4 D3 D2 D Data[i,j] = i x j A D 5

16 6 Beispiel zum ROM Entwerfen Sie eine Schaltung, die das Maximum zweier positiver 3-bit Binärzahlen ausgibt a b ROM64 x 3 A5 A4 A3 A2 A A D2 D D d a b

17 Read-only Memory: Typen ROM ( mask-rom ) Prog. bei der Fertigung, nicht löschbar PROM (programmable ROM) Prog. beim Anwender ( one-time programmable OTP), nicht löschbar EPROM ( UV-EPROM, erasable PROM) wie PROM, durch UV-Licht löschbar EEPROM (electrically erasable PROM) wie PROM, elektrisch ( in circuit ) löschbar 7

18 Prinzip eines ROM () 8 Decoder wandelt Adresse von binär auf -aus-n um. Die Ausgänge des Decoders sind invertiert. Eine Zeile Zy ist also auf, alle anderen auf. Die Bits des Datenwortes sind in Spalten angeordnet. Jede Spalte wird über einen Pull-up- Widerstand (schwach) auf gezogen Liegt im Kreuzungspunkt der Spalte Sx mit der selektierten Zeile Zy eine Diode, so wird das Datenbit (Bit x, Adresse y) auf gezogen, anderenfalls bleibt es auf (Pull-up). Die Programmierung erfolgt durch Setzen / Entfernen der Dioden in die Kreuzungspunkte.

19 Prinzip eines ROM (2) Beispiel 4 x 2 ROM: VCC weak A A DX G D 9 A

20 Probleme mit dem Decoder Ein Speicher mit 2 n Bit benötigt einen -aus-2 n Decoder, d.h. 2 n AND Gates mit je n Eingängen. Für ein M x ROM (2-zu-M-Decoder) sind dies AND-Gatter mit je 2 Eingängen. Bei der zweidimensionalen Decodierung benötigt man im Idealfall je einen Decoder und einen Multiplexer für n/2 bit. Für das M x ROM sind dies ein -zu-k- Decoder und ein k-zu--mux, das sind zusammen 24 AND-Gatter mit je oder Eingängen eine Ersparnis um den Faktor 2! 2

21 Zweidimensionale Decodierung + 5V A4...A6 DX 2 G A...A3 G A D

22 Mask-ROM: Implementierung Die Dioden in den Kreuzungspunkten (in der Praxis verwendet man Transistoren) werden bei der Fertigung entsprechend den vom Anwender spezifizierten Dateninhalten angeschlossen (Maske für die Metallisierung => Name) Jede Änderung erfordert neue Chipfertigung (!), => nur für Massenprodukte wirtschaftlich Datenspeicherung ist äußerst robust und störfest 22

23 OTP: Implementierung Bei der Fertigung werden alle Dioden (Transistoren) angeschlossen. Programmierung erfolgt beim Anwender: Durch eine Programmierspannung (z.b. 2V) werden bei unerwünschten Verbindungen Sicherungen gezielt durchgebrannt, nur die erwünschten verbleiben nicht änderbar (=> OTP ), billig, robust, rasch programmierbar ( μs/byte) 23

24 UV-EPROM: Implementierung Bei der Fertigung werden in allen Kreuzungspunkten Transistoren mit Floating Gate eingefügt. Programmierung erfolgt beim Anwender: Kreuzungspunkte werden gezielt verbunden löschbar mit UV (nur pauschal, 5 Min.), störanfällig (Daten halten Jahre, UVempfindlich, nicht radiation hard,...), rasch programmierbar ( μs/byte). 24

25 Floating Gate elektrisches Feld zieht Elektronen ins Floating Gate => Steuerspannung zum Schließen des Schalters wird so hoch, dass kein Schließen mehr möglich. V GS > V tn V GS > V tn h v GND Gate Gate 2 + V PP GND + V DS UV light source drain source drain source drain bulk bulk bulk Programmierung Auslesen Löschen 25

26 Energie im EPROM Löschen Programmieren 26

27 UV-EPROM: Package Package mit Fenster lässt beim Löschen das UV-Licht an den Chip. sollte im Betrieb zugeklebt werden macht das Bauteil teurer 27

28 EEPROM: Implementierung Fertigung & Programmierung wie beim UV-EPROM Löschbar durch elektr. Feld (Spannung), Zellen einzeln löschbar Flash Memory : nur pauschal löschbar Unterschiede zum RAM: non-volatile, Schreiben dauert viel länger rasch programmierbar ( μs/byte), störanfällig, nur Programmierzyklen je Zelle. 28

29 Steuersignale eines ROM A A row decoder Steuersignale: storage array Adressen A...A n- Wahl der Speicherzelle A m- POWER ON POWER ON Chip Select CS A m A m+ A n- CS_L & POWER ON column multiplexer Aktivierung des Chip (low-aktiv) Output Enable OE Aktivierung der Aus- OE_L gangstreiber (low-aktiv) 29 D b- D b-2 D

30 ROM Timing ADDR stable stable stable >= t AA max(t AA,t ACS ) CS_L OE_L t ACS t OH t AA t OZ t OE t OZ t OE DATA valid valid valid Daten werden gültig () t AA nach Anlegen der gültigen Adresse (2) t ACS nach Aktivierung des CS (3) t OE nach Aktivierung des OE Ausgang ist tri-state t OZ nach Deaktivierung von CS oder OE 3A

31 Beispiel zur Decodierung Skizzieren Sie die interne Struktur eines 32 x 4 bit ROM. 2-dimensionale Decodierung (8 x 4) Je Datenbit eine solche Einheit (Decoder wird z.t. gemeinsam verwendet) D D D2 D3 3 A

32 Überblick Funktionsprinzipien von Speichern Klassifikation von Speichern ROM, SRAM, DRAM, MRAM: Aufbau, Varianten, Anwendung, Timing Multiport-RAM und FIFO Error Detection & Correction 32

33 Aufbau eines Static RAM word word bit bit 33

34 SRAM versus Latch SRAM-Cell entspricht Storage Loop des Latch bit word word bit Einbettung in die reguläre RAM-Struktur gemeinsame Verwendung von Steuerlogik + Ein- u. Ausgangsbuffern für alle Zellen Speicherzellen viel einfacher gehalten D CLKN CLKP CLKN CLKN CLKP CLK CLKP Q 34

35 Steuersignale eines SRAM DX DIN DIN A A WE_L CS_L OE_L G & & IN OUT SEL WR IN OUT SEL WR IN OUT SEL WR IN OUT SEL WR DOUT IN OUT SEL WR IN OUT SEL WR IN OUT SEL WR IN OUT SEL WR DOUT Steuersignale: Adressen A...A n- Wahl der Speicherzelle Chip Select CS Aktivierung des Chip Output Enable OE Aktiv. Ausgangstreiber WriteEnableWE Steuerung der Datenübernahme beim WR (low-aktiv) 35

36 Bidirektionaler Datenbus Eingangs- (WR) und Ausgangsdaten (RD) werden über die selben Pins geführt. Einsparung an Pins WE_L CS_L & 3 IN OUT SEL WR IN OUT SEL WR RD und WR müssen so koordiniert werden, dass je Leitung immer nur ein Treiber aktiv ist OE_L & DIO DIO 36

37 SRAM Read-Timing ADDR stable stable stable >= t AA max(t AA,t ACS ) CS_L t ACS t OH OE_L t AA t OZ t OE t OZ t OE DOUT valid valid valid Daten werden gültig () t AA nach Anlegen der gültigen Adresse (2) t ACS nach Aktivierung des CS (3) t OE nach Aktivierung des OE Ausgang ist tri-state t OZ nach Deaktivierung von CS oder OE 37

38 SRAM Write-Timing ADDR stable stable t CSW t AS t CSW CS_L t AS t WP t AH t WP t AH WE_L t DS t DH t DS t DH DIN valid valid Daten werden mit steigender Flanke von WE oder CS übernommen CS muss mindestens t CSW lang aktiv sein, WE mindestens t WP t AS davor bis t AH danach muss die Adresse stabil sein t DS davor bis t DH danach müssen die Daten stabil sein (Setup/Hold) 38A

39 Synchrones SRAM alle Aktivitäten laufen synchron zu einem Takt Eingangssignale werden synchron in Register übernommen Read-Daten stehen entweder asynchron (SSRAM mit flow-through outputs ) oder synchron (SSRAM mit pipelined outputs ) zur Verfügung. Zugriffe werden intern über eine Pipeline abgewickelt. Im Burst Mode kann Adresse intern automatisch inkrementiert werden => schneller 39

40 Überblick Funktionsprinzipien von Speichern Klassifikation von Speichern ROM, SRAM, DRAM, MRAM: Aufbau, Varianten, Anwendung, Timing Multiport-RAM und FIFO Error Detection & Correction 4

41 Aufbau eines Dynamic RAM bit word Bit wird als Spannung in Kondensator abgelegt (HI/LO) Solange FET-Schalter offen, bleibt Ladung im C erhalten RD: Auslesen der Spannung (FET geschlossen) & Auswertung in Sense-Amplifier. RD konsumiert Ladung im C => write-back nötig WR: Laden/Entladen des C (FET geschlossen) 4

42 Refresh Aufgrund unvermeidlicher Leckströme entlädt sich der Speicherkondensator der DRAM-Zelle. Bevor das Bit kippt muss es daher abgefragt und die Ladung im Kondensator entsprechend aufgefrischt werden (typ. alle...ms). Dies erfolgt für eine ganze Zeile auf einmal. V cap stored written refresh refresh refresh V CC HIGH LOW 42 V time

43 Größenvergleich SRAM/DRAM + 5V word word word bit bit bit 6 Transistoren Transistor + Kondensator 43

44 SRAM versus DRAM SRAM teurer weniger Bits/Chip höherer Leistungsverbrauch schneller kein Refresh nötig robuster Anwendung typ. als Cache bzw. für kleine embedded Speicher 44 DRAM billiger hohe Speicherdichte (Technologietreiber) leistungsärmer komplizierter Zugriff Refresh erforderlich störanfälliger Anwendung typ. als Hauptspeicher

45 Steuersignale eines DRAM row address A-A7 RAS_L CAS_L WE_L row decoder control latch, mux, and demux control column address DOUT 256x256 array column latches, multiplexer, and demultiplexer DIN Steuersignale: Adressen A...A n- nur halbe Anzahl! WriteEnableWE Auswahl: RD oder WR Row Addr. Strobe RAS Übernahme Zeilenadr. Col. Addr. Strobe CAS Übernahme Spaltenadr. 45

46 DRAM Read-Timing ADDR row address column address RAS_L CAS_L DOUT valid Anlegen der Row-Address, in ein Latch übernehmen mit RAS Anlegen der Column-Adress, in ein Latch übern. mit CAS CAS = aktiviert Ausgangstreiber => Daten gültig Mit RAS Rückschreiben der Daten (Refresh) der ganzen Row Mit CAS = geht Ausgangstreiber wieder in tri-state 46A

47 DRAM Write-Timing ADDR row address column address RAS_L WE_L DIN valid CAS_L 47A Latchen der Row-Address mit RAS Anlegen der Daten, einleiten des WR mit WE Latchen der Column-Adress mit CAS Mit RAS Rückschreiben der Daten (Refresh) der ganzen Row, bei selektierter Column den neuen Datenwert Unabh. von CAS bleibt Ausgangstreiber immer in tri-state

48 DRAM Page Mode Erster Zugriff läuft ganz normal ab. Danach bleibt jedoch RAS ständig aktiviert, die Row-Address bleibt im Latch gespeichert. Bei unmittelbar anschließenden Zugriffen auf die gleiche Row ( Page ), sind nur noch CAS-Pulse nötig, um die neuen Column-Addresses zu übernehmen. Das ermöglicht einen (etwa 2-fach) schnelleren Zugriff auf Daten innerhalb der gleichen Row 48

49 Extended Data Out (EDO) Die Ausgangstreiber werden nicht von CAS sondern von eigenem Signal Output Enable (OE) gesteuert Das erlaubt bessere Überlappung der Zugriffe: Latchen der nächsten Column-Address kann bereits erfolgen, noch während die Daten der vorigen Column gelesen werden 49

50 Synchrones DRAM & DDRAM Das Timing des DRAM läuft synchron zu einem Takt (dzt MHz) ab. Das spart Probleme mit der Synchronisation in schnellen Designs RAM-intern sind mehrere Taktschritte für einen Zugriff nötig (=> Wartezeit nach außen) Durch interne Organisation in Bänken können jedoch mehrere Zugriffe überlappend ablaufen Beim DDRAM werden zusätzlich noch beide Taktflanken ( und ) verwendet. 5

51 Zugriffsarten (schematisiert) Standard row col data row col data t Page Mode row col data col data EDO row col data col data SDRAM DDRAM row col row data col row col data 5

52 Überblick Funktionsprinzipien von Speichern Klassifikation von Speichern ROM, SRAM, DRAM, MRAM: Aufbau, Varianten, Anwendung, Timing Multiport-RAM und FIFO Error Detection & Correction 52

53 Aufbau des SDT-MRAM Spin-Dependent Tunneling (SDT) Zelle = Sandwich aus 2 magnetischen Schichten mit extrem dünnem Isolator dazwischen (nm). Isolator ist so dünn, dass Tunnelstrom hindurchfließt (quantenmechan. Effekt). bit word 53

54 Prinzip des SDT-MRAM Schreiben: Magnetische Polarisation der Schichten wird durch Stromrichtung festgelegt. Lesen: Je nach magnet. Ausrichtung der beiden Schichten zueinander ergeben sich unterschiedlich große Tunnelströme magnetfeldabhängiger Widerstand magnetoresistives Verhalten. 54

55 MRAM Features random access non-volatile (magnetische Speicherung) > WR Zyklen etwa so schnell wie DRAM 4% kleiner als DRAM stromsparend (Energie nur für WR & RD) Marktreife schon länger erwartet 55

56 Überblick Funktionsprinzipien von Speichern Klassifikation von Speichern ROM, SRAM, DRAM: Aufbau, Varianten, Anwendung, Timing Multiport-RAM und FIFO Error Detection & Correction 56

57 Multiport Memory Prinzip Beispiel Dual-Port RAM Gemeinsames RAM-Array, aber Doppelte Steuerlogik (links / rechts) für CS, R/W, OE Doppelter Adressdecoder Doppelte Interfaces (Pins) Zusätzliches Busy-Signal 57

58 Multiport-Memory - Aufbau 58

59 Semaphor-Bit Erlaubt Koordination des Zugriffs auf gemeinsame Ressourcen (z.b. Speicher) Durch Setzen des Bits kann Zugriff auf Ressource angefordert werden (Request), gleichzeitig werden konkurrierende Zugriffe blockiert, d.h. Konkurrenten können ihr Bit nicht mehr setzen. Löschen des Semaphore-Bit (Release) gibt die Ressource wieder frei. Beim DPRAM oft mit integriert, aber Beachtung des Semaphor wird nicht per HW erzwungen, d.h. Zugriff auf blockierte Ressource ist möglich. 59

60 Funktion des Semaphor Default (frei): SemL = SemR = Sem. Lock durch L: WR SemL => RD SemL ergibt WR SemR => wird ignoriert RD SemR ergibt Release von L: Semaphor- Bit links Aktion init Request L Request R Release L Request R Release R frei frei WR auf SemL frei L R Semaphor- Bit rechts Status RAM Locked für L Locked für L (!) Lock für R 6

61 FIFO Prinzip FIFO = First In First Out keine Adresse => kein wahlfreier Zugriff Am WR-Port kann eine Sequenz von Datenworten in den Speicher geschrieben werden, am RD-Port können die Datenworte genau in der gleichen Sequenz wieder ( konsumierend ) gelesen werden. Entsprechend der Speichertiefe wird eine Anzahl geschriebener Datenworte gepuffert Lesen und Schreiben sind voneinander unabhängig und können überlappen. 6

62 FIFO - Flags Full-Flag (FF) wird aktiviert, wenn alle verfügbaren Speicherzellen (Speichertiefe des FIFO) beschrieben und noch nicht gelesen sind. Vor dem nächsten WR muss zuerst gelesen werden, sonst wird der jüngste Eintrag überschrieben. Empty-Flag (EF) wird aktiviert, wenn keine Daten im Speicher verfügbar sind, die noch nicht gelesen wurden. Vor dem nächsten RD müssen Daten geschrieben werden, sonst wird ein undefinierter Wert gelesen. Half-Full-Flag (HFF) wird aktiviert, sobald das FIFO zur Hälfte voll ist. als Vorwarnung für Speicherverwaltung verwendbar 62

63 FIFO Aufbau 63

64 Anwendung DPRAM & FIFO... typischerweise für die Kommunikation zweier asynchron arbeitender Systeme: Es können Daten ausgetauscht werden die Kopplung im Zeitverhalten der Systeme ist minimal (nur bei FIFO Full/Empty) Für kontinuierliche Datenströme ist FIFO besser (weil einfacher & billiger), ggf. für bidirektionale Kommunikation 2 FIFOs Beim DPRAM stellt die Adresse zusätzlich semantische Information dar (z.b.: Sensorwert liegt immer auf Adresse x etc.) 64

65 Überblick Funktionsprinzipien von Speichern Klassifikation von Speichern ROM, SRAM, DRAM: Aufbau, Varianten, Anwendung, Timing Multiport-RAM und FIFO Error Detection & Correction MRAM Speicher der Zukunft? 65

66 Error Detection & Correction Prinzip: Hinzufügen redundanter Zusatzinformation (= Prüfbits) entsprechend einem Code so dass nicht alle darstellbaren Codeworte auch gültige Codeworte sind, Prüfbits werden beim WR generiert und mitgespeichert, beim RD neuerlich generiert und mit den gespeicherten verglichen Hamming-Distanz: minimale Anzahl von gleichzeitig auftretenden Bitfehlern die im ungünstigsten Fall nicht mehr erkannt werden EDC: Error Detecting Code Bitfehler (auch in der Prüfinformation) werden erkannt ECC: Error Correcting Code Bitfehler werden erkannt UND korrigiert 66

67 Typische Verfahren Parity: Prüfbit ergänzt die Bitsumme der n Datenbits auf gerade ( even ) bzw. ungerade ( odd ), typisch Bit/Byte Hamming-Distanz =, d.h. nur das Umfallen eines einzigen Bits wird mit Sicherheit erkannt Hamming Code: mehrere Parity-Bits jeweils über Gruppen von Datenbits erlauben Hamming-Distanz von 3 sowie Korrektur für -bit Fehler. Block-Signatur (cyclic redundancy check, CRC): Generiert Prüfwort aus sequentiellem Datenstrom (Block) mittels rückgekoppeltem Schieberegister. Üblicherweise bei EPROMs, da bei WR im RAM schwer nachzuführen. 67

68 Parity: Beispiel Datenwort Datenwort + even Parity Codewort hat gerade Anzahl von en? Nein Parity generieren P = d d dn Parity prüfen C = d d dn P 68

69 Beispiel: (7,4) Hamming Code: Codierung: Datenwort: d d d2 d3 Codewort: p p d p2 d d2 d3 Prüfbits: p = d d d3 p = d d2 d3 p2 = d d2 d3 Prüfung: = Bitposition 3 Checkbits: c = p d d d3 =? c = p d d2 d3 =? c2 = p2 d d2 d3 =? 69

70 Hamming Code: Grenzen mehr als 2-Bit-Fehler nicht sicher erkannt (außer durch zus. Prüfbits) und sind gültige Codeworte Beispiel: -> nicht erkannt Gefahr falscher Korrekturen Beispiel: korrekt falsch korrigiert 7

71 Hamming-Code: Aufwand r Prüfbits für 2 r Bits (Daten + Prüfbits) Prüfbits 2 Parity Hamming Datenbits

72 Zusammenfassung () Digitale Speicher sind eine strukturierte Anordnung von Bits mit zwei klar unterscheidbaren Zuständen. Neben Aufbau und physikalischem Speicherprinzip sind Volatility, Beschreibbarkeit und Random Access charakteristische Merkmale. Neben ihrer eigentlichen Funktion als Datenspeicher sind Speicher auch für vielfältige logische Funktionen verwendbar. Zur Vereinfachung der Decodierlogik sind Speicher als zweidimensionales Array strukturiert. 72

73 Zusammenfassung (2) Bei den ROMs unterscheidet man zwischen Mask- ROM, OTP, UV-EPROM und EEPROM. Das SRAM beruht wie das Latch auf einer Speicherschleife aus rückgekoppelten Invertern, ist aber platzsparender. Das DRAM verwendet einen Kondensator als Speicherelement, eine Speicherzelle ist daher deutlich kleiner als beim SRAM. Es ist allerdings ein periodischer Refresh erforderlich. 73

74 Zusammenfassung (3) Das MRAM ist ein schneller nicht-flüchtiger Speicher. Es beruht auf magnetischer Polarisation. Multiport-Speicher und FIFO erlauben die Kopplung unsynchronisierter Systeme. Durch Hinzufügen von Prüfbits können Bitfehler erkannt und eventuell auch korrigiert werden. Übliche EDC/ECC-Verfahren sind Parity, Hamming Code und CRC. 74