TIES530 - 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, OTP-EPROM, 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 Flash-muistien 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 NN27XXX-HH NN valmistaja, 27 tyyppi (=EPROM), XXX koko kilo- tai megabitteinä, HH nopeus (ns) esim AT27C040-70 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 G1:stä (piirivalinnasta)

Atmel AT27C040-70TC käyttöjännite 5V, ohjelmointijännite 13V virrankulutus 100uA standby-tilassa ja max 30 mA 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 AT28C256 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/O7 pinniä (DATA_polling) tai I/O6 pinniä (Toggle_Bit)

Haihtumattomat muistit… lukujakso prosessorilta osoite 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 tACC 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 (AT28C256F), joten koko piirin ohjelmointi tavu kerrallaan vie aikaa n. 98s. Jos piiri voidaan ohjelmoida sivu kerrallaan niin aikaa menee ’vain’ 1,5s.

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 000 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 RAM-muistiin (3) ja ohjelma jatkaa sen suoritusta RAM-muistissa olevasta kopiosta. Ohjelma päivittää Flash-muistissa 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 Am29F040B 4 Mb (512 kB), 8 kpl 64 kB sektoria, virrankulutus read/write/standby 20mA/30mA/1ua, hakuaika 55ns

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. 100ns ja sinne voidaan kirjoittaa rajattomasti paristovarmennettu SRAM integroitu pieni litiumparisto, jolla säilyvyys jopa 10v EEPROM varmennettu SRAM SRAMin rinnalla EEPROM, johon tiedot tallennetaan sähkökatkon yhteydessä esim STMicroelectronics M48Z129, 1 Mbit (128x8bit), 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 (128x8 bit) CY62128DV30-55 hakuaika 55 ns, aktiivitilassa 0.85-10 mA, automaattinen power down kun osoite ei vaihdu (1.5 – 5 uA) hinta 4,20€ (1-9 kpl, Farnell)

Haihtuvat muistit… DRAM eli dynaaminen RAM käytetään kun muistin tarve on suurehkoa (satoja kB … 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 RAM-ohjainta

Erikoismuistit FIFO-muisti Kaksiporttimuisti Video-RAM CAM-muisti 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) Kaksiporttimuisti sovelluksissa, joissa 2 prosessoria jakaa saman muistin hajasaantimuistia Video-RAM 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