TIES 530 Sulautettujen jrjestelmien arkkitehtuurit Luento 7 Muistit

TIES 530 - Sulautettujen järjestelmien arkkitehtuurit Luento 7: Muistit Jukka Ihalainen, jukka. ihalainen@chydenius. fi Tietoliikennelaboratorio, http: //rf. chydenius. fi

Puolijohdemuistit • valmistustekniikkoina bipolaariset ja unipolaariset tekniikat • bipolaariset – perustuvat NPN- ja PNP-transistoreiden käyttöön – nopeita, pieniä, kalliita, enemmän tehoa vaativia harvoin käytettyjä (maski-ROM, PROM) • unipolaariset – käyttävät eristehilaisia kanavatransistoreja eli MOSFET-transistoreita (PMOS, NMOS ja CMOS) – CMOS-tekniikka nykyään yleisin (EPROM, OTPEPROM, FLASH, EEPROM)

Puolijohdemuistit • ryhmittely voidaan tehdä joko – lukumuistit (ROM) ja luku-kirjoitusmuistit (RAM) – haihtumattomat muistit (Non-Volatile Memory) ja haihtuvat muistit (Volatile Memory) sekä erikoismuistit – rinnakkaisliitettävät muistit ja sarjaliitettävät muistit

Haihtumattomat muistit • maskiohjelmoitava ROM-muisti – ohjelmoidaan valmistusvaiheessa valmistusmaskin avulla – ohjelmoinnin jälkeen sisältöä ei voi enää muuttaa – laitteissa, joiden valmistusmäärät kymmeniä tuhansia

Haihtumattomat muistit… • PROM – käyttäjä voi itse ohjelmoida PROM-muistin ohjelmointilaitteen avulla (vain yhden kerran) – muistikennoina toimivat transistorit, joita kutsutaan sulakkeiksi (Fuse) • aluksi kaikki muistikennot ovat ” 1” –tilassa ja ohjelmoinnissa poltetaan ne sulakkeet, jotka halutaan ” 0” -tilaan – soveltuu pienempiin tuotantosarjoihin kuin maskiohjelmoitava ROM – PROM-muistitkin saaneet väistyä EPROM- ja Flashmuistien tieltä

Haihtumattomat muistit… • EPROM ja OTP-EPROM – julkistettiin 1971 ja on edelleen käytetyin haihtumaton muisti – ohjelmointi tapahtuu varaamalla elektroneja piirin muistikennoihin – muisti voidaan tyhjentää voimakkaalla UV-valolla (useita minuutteja) • kotelossa ikkuna, jonka kautta valo pääsee komponenttiin – perustuu kanavatransistoriin, jonka hilalle voidaan syöttää varaus (varaus vastaa ” 0” tilaa) – käytännössä piiri ohjelmoitiin vain kerran, joten tehtiin halvempi versio OTP-EPROM (One Time Programmable EPROM), jossa ei ollut tyhjennysikkunaa

Haihtumattomat muistit… – EPROM muisti nimetään yleensä NN 27 XXXHH • NN valmistaja, 27 tyyppi (=EPROM), XXX koko kilo- tai megabitteinä, HH nopeus (ns) • esim AT 27 C 040 -70 on Atmelin (AT) EPROM (27) CMOS-tekniikalla tehty (C) 4 megabitin (040) ja 70 ns muistipiiri – kuvassa standardi piirrosmerkki, jossa yläosassa kontrollit ja alaosassa dataliitännät (kolmitilalähtöjä, riippuvat osoitteesta) • EN sallii kaikki lähdöt samalla kertaa, EN on riippuvainen G 1: stä (piirivalinnasta)

• Atmel AT 27 C 040 -70 TC – käyttöjännite 5 V, ohjelmointijännite 13 V – virrankulutus 100 u. A standbytilassa ja max 30 m. A aktiivitilassa – hakuaika (70 ns) ilmoittaa kuinka kauan kuluu aikaa siitä, kun osoite on tuotu piirille ja sieltä saadaan muistipaikan sisältämä tieto

Haihtumattomat muistit… • EEPROM – Intel julkaisi ensimmäisen v. 1981 – voidaan kirjoittaa tavu kerrallaan vanhan tiedon päälle • kirjoittaminen jopa 100 kertaa hitaampaa kuin lukeminen siksi piirin sisällä lukkopiirit, jotka tallentavat osoitteen ja datan kirjoitusoperaation ajaksi • käytetään yleisesti laitteistokonfiguraatioiden tallentamiseen • kestää yl. 10 000 … 100 000 kirjoitusta

Haihtumattomat muistit… – esim Atmel AT 28 C 256 • piirin toimintaa ohjataan CE (aktiivinen/lepotila), WE (kirjoitus) ja OE (lähtöpuskurit)signaaleilla • kun CE ja OE ovat alhaalla ja WE on ylhäällä niin osoitelinjan mukainen data näkyy lähdössä. Kun CE tai OE ovat ylätilassa niin lähtö on suurimpedanssisessa tilassa • kun CE ja WE ovat alatilassa ja OE ylätilassa ja kun WE tai CE linjoihin tulee lyhyt pulssi niin silloin tapahtuu tavun kirjoitus osoitelinjan osoittamaan muistipaikkaan • sisäinen lukkopiiri 64 tavulle ja osoitteelle voidaan kirjoittaa 64 tavun sivu kerralla • kirjoitusjakson päättyminen voidaan tehdä pollaamalla I/O 7 pinniä (DATA_polling) tai I/O 6 pinniä (Toggle_Bit)

Haihtumattomat muistit… – lukujakso • prosessorilta osoitelinjaan, jonka jälkeen lähes samaan aikaan CE-signaali (osoitedekooderilta) alatilaan. OE voidaan asettaa alatilaan samaan aikaan kuin CE (tai 70 ns myöhemmin). Tieto saadaan lähdöstä t. ACC ajan kuluttua. CE ja OE signaalit ylätilaan; data näkyy vielä hetken lähdössä ennen kuin lähtö menee suurimpedanssiseen tilaan

Haihtumattomat muistit… – kirjoitusjakso • kirjoitus voidaan tehdä joko WE tai CE ohjattuna • piirin osoitetulossa oleva osoite lukitaan lukkopiireihin WE: n tai CE: n laskevalla reunalla (kumpi ensin). Data lukitaan lukkopiireihin WE: n tai CE: n nousevalla reunalla. Tämän jälkeen piirin sisäinen logiikka hoitaa tavun kirjoittamisen muistikennoihin • koko tallennusjakso vie aikaa 3 ms (AT 28 C 256 F), joten koko piirin ohjelmointi tavu kerrallaan vie aikaa n. 98 s. Jos piiri voidaan ohjelmoida sivu kerrallaan niin aikaa menee ’vain’ 1, 5 s.

Haihtumattomat muistit… • Flash – markkinoille 1990 -luvulla, syrjäyttää EPROM- ja EEPROM-muistit – ohjelmoidaan tavu kerrallaan mutta muistipaikan pitää olla tyhjä (yksittäistä muistipaikkaa ei voi kirjoittaa vaan sektori kerrallaan) – kestään. 100 000 … 1000 kirjoitusta – lukeminen ja kirjoittaminen SRAM ja EPROM välissä – soveltuu ohjelmamuistiksi, halvempaa kuin EEPROM

Haihtumattomat muistit… – kun Flash-muistiin halutaan päivittää uusi ohjelmaversio niin käynnistyksen yhteydessä painetaan latauskytkintä, jolloin käynnistetään latausohjelma (2). Tämä latausohjelma kopioidaan RAMmuistiin (3) ja ohjelma jatkaa sen suoritusta RAM-muistissa olevasta kopiosta. Ohjelma päivittää Flashmuistissa olevan varsinaisen ohjelman. Päivityksen jälkeen laite resetoidaan (ei paineta latauskytkintä) ja uusi ohjelmaversio on käytössä (1). – suojatun sektorin tiedot voidaan päivittää vain ohjelmointilaitteella

Haihtumattomat muistit… – esim. AMD: n Am 29 F 040 B • 4 Mb (512 k. B), 8 kpl 64 k. B sektoria, virrankulutus read/write/standby 20 m. A/30 m. A/1 ua, hakuaika 55 ns

Haihtumattomat muistit… – Flash-muistin toimintatilat ja tunnistuskoodit

Haihtumattomat muistit… – Flash-muistin muistipaikasta lukeminen kuten EEPROM

Haihtumattomat muistit… – Flash-muistin komentoja • luku (Read) • tunnistuskomennolla (Autoselect) tunnistetaan muistin tyyppi ja valmistaja sekä sektoreiden kovosuojaus • nollauskomennolla (Reset) voidaan meneillään oleva komentosekvenssi keskeyttää (piirin sisäisiä komentoja ei voi keskeyttää) • ohjelmointikomento (Program) • piirin tyhjennyskomento (Chip erase) • sektorin tyhjennyskomento (Sector erase) • tyhjennyksen peruutuskomento (Erase suspend) • tyhjennyksen jatkamiskomento (Erase resume)

Haihtumattomat muistit… • NVRAM – voidaan käyttää käyttömuistina, kirjoitusjakso n. 100 ns ja sinne voidaan kirjoittaa rajattomasti – paristovarmennettu SRAM • integroitu pieni litiumparisto, jolla säilyvyys jopa 10 v – EEPROM varmennettu SRAM • SRAMin rinnalla EEPROM, johon tiedot tallennetaan sähkökatkon yhteydessä – esim STMicroelectronics M 48 Z 129, 1 Mbit (128 x 8 bit), 48, 30€/kpl (1 -9 kpl, Farnell)

Haihtumattomat muistit… • RRAM (Resistive Random Access Memory) – seuraavan sukupolven haihtumatonta muistia – 100 kertaa nopeampaa kuin Flash – perustuu aineen resistanssin muutoksiin (” 0” pieni resistanssi enemmän virtaa läpi) – mm. Sharp kehittää tätä teknologiaa

Haihtuvat muistit • SRAM eli staattinen luku-kirjoitusmuisti – yleisin muistityyppi kun muistin tarve pienehkö – nopeaa lukea ja kirjoittaa, tieto häviää jos käyttöjännite katkeaa – tekniikkoina NMOS (vanhaa), bipolaarinen (TTL, ECL), CMOS (uutta) – piireillä normaalit osoitetulot, datalähdöt sekä kontrollilinjat CS (CE), WE, OE

Haihtuvat muistit… – esim Cypressin 1 Mb (128 x 8 bit) CY 62128 DV 30 -55 • hakuaika 55 ns, aktiivitilassa 0. 85 -10 m. A, automaattinen power down kun osoite ei vaihdu (1. 5 – 5 u. A) • hinta 4, 20€ (1 -9 kpl, Farnell)

Haihtuvat muistit… • DRAM eli dynaaminen RAM – käytetään kun muistin tarve on suurehkoa (satoja k. B … mega…gigatavuja) – halvempaa ja hitaampaa kuin SRAM – hankalampi liittää prosessorin väylään kuin SRAM, koska osoitetuloja puolet vähemmän mitä kapasiteetti edellyttää (osoite syötettävä kahdessa osassa) – muistia pitää myös virkistää muutaman millisekunnin välein, jotta tieto säilyy kuluttaa enemmän tehoa – vaatii prosessorilta DRAM-tukea tai erillistä RAMohjainta

Erikoismuistit • FIFO-muisti – – – • Kaksiporttimuisti – – • sovelluksissa, joissa 2 prosessoria jakaa saman muistin hajasaantimuistia Video-RAM – – • erilliset liitännät lukemista ja kirjoitusta varten sisäiset laskurit, jotka ohjaavat ulkoisia lähtöjä sen mukaan onko muisti täynnä tai tyhjä ensin kirjoitettu myös luetaan ensin (First In – First Out) kaksiportti- ja FIFO-muistin yhdistelmä CPU ja grafiikkaprosessori käyttävät kaksiporttimuistia ja näytön ohjauselektroniikka lukee FIFO-muistia CAM-muisti – – muistipiirille annetaan haettava tieto ja piiri palauttaa sen osoitteen mistä tieto löytyi tai palautetaan se tietosisältö, joka niitä yhdistää käytetään esim. ethernet-verkkojen kytkimissä, joiden muistiin tallennettu MAC osoite ja sitä vastaava kytkimen portti