Digitaltechnik II SS 2007

Digitaltechnik II
SS 2007
7. Vorlesung
Klaus Kasper
Inhalt
• Register
• Halbleiterspeicher
– Random Access Memory (RAM)
– SRAM
– DRAM
– ROM
– Programmierbare ROM
• Realisierung digitaler Systeme
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Hinweis!
A
B
C
AJ AK BJ BK CJ CK
0
0
0
1
=
1
=
1
=
1
1
1
-
0
=
1
-
0
1
0
1
-
0
1
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=
1
1
1
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=
1
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1
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0
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=
1
0
1
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0
-
=
1
0
-
0
0
0
AJ
C
1 0 −
B
0
*
*
− =
A
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Register
• Parallele Anordnung von Flip-Flops mit
gemeinsamen Takt.
• Auffang- oder Buffer-Register zur
Zwischenspeicherung von Bitfolgen.
• Schiebe- oder Shift-Register zur
Parallel-Seriell-Umwandlung oder für
binäre Multiplizierer / Dividierer
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Schieberegister
Für X=1 werden die Daten parallel eingelesen und seriell
ausgelesen (PISO).
Für X=0 wird ein SISO realisiert.
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Halbleiterspeicher
Halbleiterspeicher
Festwertspeicher
(Nur-Lese-Speicher)
Flüchtige Speicher
(Lese-Schreib-Speicher)
Einmal beschreibbar
Mehrfach beschreibbar
Dynamisch
Statisch
ROM
EPROM
erasable
DRAM
SRAM
PROM
programmable
EEPROM
electrical
SDRAM
Synchronous
Flash ROM
DDR-RAM
Double Data Rate
RDRAM
Rambus
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Random Access Memory (RAM)
• Speicher mit wahlfreiem Zugriff.
• Zeitaufwand für Lese- und Schreibvorgang
ist in etwa gleich groß.
• Speicherzelle wird mit Hilfe einer Adresse
gewählt und Information eingeschrieben.
• Zum Auslesen wird die Speicherzelle
ebenfalls über eine Adresse ausgewählt und
die Information gelesen.
• Hierbei wird die Information nicht gelöscht.
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Statische RAM (SRAM)
• Für statische RAM werden die Speicherzellen
mit Flip-Flops realisiert.
• Solange die Versorgungsspannung anliegt,
bleibt die Information im SRAM erhalten.
• Sehr kurze Schreib- und Lesezeiten.
• Relativ große Fläche zur Realisierung einer
Speicherzelle.
• Es werden 6 Transistoren für die Realisierung
eines Flip-Flop benötigt.
• SRAM werden häufig für die Realisierung von
Cache eingesetzt. Digitaltechnik 2
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Auffangregister (PIPO)
4 bit werden parallel gespeichert und können parallel
gelesen werden
Mit dem Reset Eingang (R) können alle Ausgänge
auf 0 gesetzt werden Digitaltechnik 2
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Dynamische RAM (DRAM)
• Elementares Speicherelement ist eine
Kapazität. Prinzip wurde 1966 von IBM
entwickelt. Erstes Produkt 1970 von Intel (1
kbit).
• Sehr hohe Speicherdichte (ca.10-fach im
Vergleich zu SRAM).
• Beim Schreiben wird ein adäquater
Spannungspegel an der Kapazität realisiert (1
entspricht einer geladenen und 0 einer
entladenen Kapazität).
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• Beim Lesen wird der
Pegel
abgefragt.
DRAM (Forts.)
• Beim Lesen einer Zelle wird die gespeicherte
Information zerstört, muss also anschließend
wieder eingeschrieben werden.
• In den Schaltungen existieren ständig
Leckströme.
• Auch sehr kleine Leckströme führen zu einem
Verlust der Information, da die Kapazitäten sehr
klein sind (0.1 … 1pF).
• Zur Erhaltung der Information muss diese in
regelmäßigen Abständen (ca. 2–16ms)
Zeilenweise ausgelesen und direkt wieder
geschrieben werden (Refresh).
• Während des Refresh kann auf den Inhalt des
DRAM nicht zugegriffen werden.
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Prinzip einer DRAM
Speicherzelle
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Beispiel: Refresh DRAM
•
•
•
•
1 M bit DRAM, 512 Zeilen
512 Refresh-Zyklen alle 8 ms
Zykluszeit für den Refresh: 0.2 µs
Zeitbedarf Refresh:
512*0.2 µs = 0,1024 ms
ca. 1.3% der Betriebszeit für
Refresh
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Prinzip SRAM
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Tri-State-Gatter
Tri-State- Gatter können
neben den beiden logischen Ausgangspegeln
Low und High einen dritten
hochohmigen Zustand annehmen.
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Architektur SRAM
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Speichermatrix
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Aufbau eines RAM
A: Adresseingänge, CS: Chip Select, WE: Write Enable
Dout: Datenausgang, Din: Dateneingang
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Symbolische Darstellung eines
RAM
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DRAM Typen
• SDRAM (Synchronous Dynamic RAM) wird mit einem
Taktgeber synchronisiert, der vom CPU-Takt abgeleitet
ist. Alle Schreib- und Lesevorgänge werden von der
steigenden Flanke dieses Taktes ausgelöst.
• DDR-SDRAM (Double Data Rate) ist eine Variante des
SDRAM mit doppelter Datenübertragungsrate. Die Daten
werden mit der steigenden und der fallenden Taktflanke
gelesen oder geschrieben. Die angeforderten oder zu
speichernden Daten müssen immer mindestens der
doppelten Busbreite entsprechen (2-fach Prefetch).
• RDRAM ist eine spezielle Entwicklung der Firma
Rambus. Daten werden aus vielen Bänken parallel
gelesen und dann über einen Multiplexer auf den
Datenausgang schaltet. Z.B. können aus 8 Bänken
gleichzeitig 8 Byte gelesen werden. Das entspricht dann
der 8-fachen internen Lesegeschwindigkeit.
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Aktuelle Entwicklung
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DDR2-RAM
•
•
•
•
Double Data Rate Verfahren wird weiter genutzt
verringerte Betriebsspannung: 1,8 V (2,5V)
nicht Pin-kompatibel: 240 (184) Pins
intern wird mit verringerter Taktfrequenz gearbeitet
(prefetch 4-fach, bzw. 8-fach bei DDR3)
• interne Datenbreite wurde erweitert
• 2007: DDR3 (GDDR3 schon verfügbar)
höhere Datentübertragungsraten
günstigere Produktion
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DDR vs. DDR2
Speichertyp Speichertakt Bezeichnung Bandbreite
SDRAM
133 MHz
PC133
1,1 GB/s
DDR266
133 MHz
PC2100
2,1 GB/s
DDR400
200 MHz
PC3200
3,2 GB/s
DDR2-400 100 MHz
PC2-3200
3,2 GB/s
DDR2-533 133 MHz
PC2-4300
4,3 GB/s
DDR2-1066 266 MHz
PC2-8500
8,5 GB/s
DDR3-1066 133 MHz
PC3-8500
8,5 GB/s
DDR3-1600 200 MHz
PC3-12800
12,8 GB/s
PC3200: 200 MHz ∗ 8 Byte ∗ 2 Zugriffe/Takt = 3200 MByte/s
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RAM Kenngrößen
• Speicherkapazität: Anzahl der
speicherbaren Bit.
• Zugriffszeit: Zeit zwischen Adressierung
eines Speicherelementes bis zur
Verfügbarkeit am Ausgang.
• Zykluszeit: kürzeste Zeit zwischen zwei
Schreib-Lese-Vorgängen.
• Leistungsbedarf:
Gesamtleistungsbedarf der integrierten
Schaltung.
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Neue nichtflüchtige Speicher
• MRAM (Magnetoresestive RAM):
Speicherung erfolgt über zwei
Magnetplättchen, aktuell
aussichtsreichster Kandidat für die
Nachfolge DRAMs
• F(e)RAM (Ferro Electric):
ferroelektrisches Prinzip, Information
wird mit Kondensatoren gespeichert
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Festwertspeicher (ROM)
• Auf einen typischen ROM wird während
des Betriebs ausschließlich lesend
zugegriffen.
• Die Programmierung (Schreiben) eines
ROM ist deutlich aufwändiger als der
Lesezugriff.
• Der Aufbau eines ROM entspricht
hinsichtlich der Matrixanordnung der
Speicherzellen und der Adressverwaltung
dem Aufbau eines RAM.
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Maskenprogrammierte ROM
• Für große Stückzahlen werden bei der
Herstellung der Speicher die
Information fest eingegeben.
• Die zu speichernde Information wird
mittels einer Metallisierungsmaske
eingebracht.
• Beispiel: Haushaltsgeräte
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Programmierbare ROM
(PROM)
• Mit speziellen Programmiergeräten
können PROM vom Anwender
programmiert werden.
• Die Programmierung erfolgt durch die
Herstellung von Verbindungen (AntiFuse) oder durch die Trennung von
Verbindungen (Fuse).
• Die Programmierung ist irreversibel.
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UV-löschbares PROM (EPROM)
• EPROMS können mit speziellen Geräten
programmiert und gelöscht werden.
• Für die Programmierung wird eine Spannung
von ca. 20 Volt benötigt.
• Bei der Programmierung werden mit Hilfe des
Avalanche-Effektes (Lawineneffektes)
elektrische Ladungen injiziert.
• Für die Löschung wird entsprechend
energiereiches Licht benötigt.
• Die Löschung dauert einige Minuten.
• Der Baustein muss i.a. zur Löschung aus der
Schaltung entfernt werden.
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Elektrisch lösch- und programmierbare
ROM (EEPROM)
• Der Baustein kann für den Löschvorgang in der
Schaltung verbleiben.
• Für den Löschvorgang wird eine Spannung von
ca. 20 Volt benötigt.
• Für Programmierung und Löschung wird der
Tunneleffekt ausgenutzt.
• Jedem Schreibvorgang wird ein Löschvorgang
vorgeschaltet.
• Der Schreibvorgang für ein Byte benötigt ca. 10
ms.
• Anzahl von Lösch-/Schreibzyklen: ca. 10000
• Speicherdauer: mindestens
10
Jahre
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Floating-Gate-Technologie
für EEPROM-Speichertransistor
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Flash-Speicher
• Weiterentwicklung der EEPROMs.
• Im Fall des Flash-Speichers wir im Unterschied
zu EEPROMS der Speicher blockweise (!)
gelöscht.
• In ersten Realisierungen wurde der Speicher mit
einem Flash (Blitz) vollständig gelöscht.
• Ein Block umfasst ca. 0,5 KB – 128 KB.
• Der direkte Zugriff auf einzelne Bytes ist
prinzipiell nicht möglich. Dies entspricht dem
Prinzip von Massenspeichern, die eine typische
Blockgröße von 512 Byte haben.
• Moderne Typen kommen mit 5 Volt als
Programmier- und Löschspannung aus.
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