Bài giảng Thiết kế hệ thống nhúng (Embedded Systems Design) - Chương 2 (Bài 4): Bộ nhớ

Chia sẻ: Thu Minh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Thiết kế hệ thống nhúng (Embedded Systems Design) - Chương 2 (Bài 4): Bộ nhớ. Những nội dung chính trong bài này gồm có: Khả năng ghi dữ liệu và chất lượng lưu trữ của bộ nhớ, các kiểu bộ nhớ chung, ghép bộ nhớ, phân cấp bộ nhớ và Cache, RAM cải tiến. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Thiết kế hệ thống nhúng (Embedded Systems Design) - Chương 2 (Bài 4): Bộ nhớ

CHƢƠNG CẤU TRÚC Embedded2:Systems PHẦN Design: CỨNG A Unified HỆ THỐNG NHÚNG Hardware/Software Introduction Bài 4: Bộ nhớ 1 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Tổng quan • Khả năng ghi dữ liệu và chất lƣợng lƣu trữ của bộ nhớ • Các kiểu bộ nhớ chung • Ghép bộ nhớ • Phân cấp bộ nhớ và Cache • RAM cải tiến 2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Giới thiệu • Chức năng của các hệ nhúng – Xử lý • Bộ xử lý • Biến đổi dữ liệu – Lƣu trữ • Bộ nhớ • Khôi phục dữ liệu – Truyền thông • Bus • Chuyển dữ liệu 3 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Bộ nhớ: khái niệm cơ bản • Lƣu trữ số lƣợng bit lớn m × n memory … – m x n: m từ mỗi từ n bit – k = Log2(m) tín hiệu địa chỉ đầu vào m words … – Hoặc m = 2^k từ – VD: bộ nhớ 4,096 x 8: n bits per word • 32,768 bits • 12 tín hiệu địa chỉ • 8 tín hiệu I/O memory external view r/w 2k × n read and write • Truy cập bộ nhớ enable memory – r/w: lựa chọn đọc hoặc ghi A0 – enable: chỉ cho phép khi tích cực … Ak-1 – multiport: đa truy cập tới nhiều vị trí khác nhau … đồng thời Qn-1 Q0 4 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Khả năng ghi/chất lƣợng lƣu trữ • Phân biệt ROM/RAM truyền thống permanence Storage – ROM Mask-programmed ROM Ideal memory • Chỉ đọc, bit đƣợc lƣu trữ không cần nguồn Life of OTP ROM product – RAM • Đọc và ghi, mất dữ liệu nếu không có Tens of EPROM EEPROM FLASH years nguồn Battery Nonvolatile NVRAM • Phân biệt truyền thống đã thay đổi life (10 years) – ROMs cải tiến có thể ghi In-system • e.g., EEPROM programmable SRAM/DRAM – RAMs có thể lƣu trữ không cần nguồn Near zero Write • e.g., NVRAM ability • Khả năng ghi During External External External External fabrication programmer, programmer, programmer programmer In-system, fast writes, only one time only 1,000s OR in-system, OR in-system, – Tốc độ để một bộ nhớ đƣợc ghi of cycles 1,000s block-oriented unlimited cycles of cycles writes, 1,000s • Chất lƣợng lƣu trữ of cycles – Khả năng mà bộ nhớ lƣu trữ dữ liệu sau khi nó đƣợc ghi Khả năng ghi và chất lƣợng lƣu trữ của bộ nhớ 5 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Khả năng ghi • Phạm vi của “khả năng ghi” – Mức cao • Bộ xử lý ghi vào bộ nhớ một cách đơn giản và nhanh chóng • e.g., RAM – Mức trung bình • Bộ xử lý ghi vào bộ nhớ, nhƣng chậm • e.g., FLASH, EEPROM – Mức thấp hơn • Các thiết bị đặc biệt, “bộ lập trình” phải đƣợc sử dụng để ghi bộ nhớ • e.g., EPROM, OTP ROM – Mức thấp • bits chỉ đƣợc lƣu trữ trong quá trình sản xuất • VD: ROM lập trình đƣợc bằng mặt nạ • Bộ nhớ có thể lập trình đƣợc trong hệ thống – Có thể đƣợc ghi bởi bộ xử lý trong hệ thống nhúng – Các bộ nhớ loại này có khả năng ghi cao hoặc trung bình 6 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Chất lƣợng lƣu trữ • Phạm vi chất lƣợng lƣu trữ – Loại cao • Loại không bao giờ mất bit • VD: mask-programmed ROM – Loại trung bình • Có khả năng lƣu trữ bit nhiều ngày, nhiều tháng, hoặc nhiều năm sau khi tắt nguồn • VD: NVRAM – Loại trung bình thấp • Có khả năng lƣu trữ bit khi có nguồn cung cấp • VD: SRAM – Loại thấp • Mất bít gần nhƣ ngay sau khi đƣợc ghi • VD: DRAM • Bộ nhớ không thay đổi đƣợc – Lƣu trữ bit ngay cả khi không đƣợc cấp nguồn – Chất lƣợng lƣu trữ cao hoặc trung bình 7 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
ROM: Bộ nhớ “chỉ đọc” • Là bộ nhớ không thay đổi đƣợc • Có thể đọc nhƣng không thể ghi bởi một bộ xử lý trong hệ thống nhúng External view • Thƣờng đƣợc ghi bằng cách “lập trình”, enable 2k × n ROM trƣớc khi tích hợp trong hệ thống nhúng A0 … • Sử dụng Ak-1 … – Lƣu trữ chƣơng trình phần mềm cho bộ xử lý chức Qn-1 Q0 năng chung • Lệnh trong chƣơng trình có thể là 1 hoặc nhiều từ nhớ trong ROM – Lƣu trữ các dữ liệu cố định – Thực hiện các mạch tổ hợp 8 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Ví dụ: 8 x 4 ROM • Hàng ngang = từ • Hàng đứng = dữ liệu Internal view • Các đƣờng kết nối ở giao điểm 8 × 4 ROM word 0 • Bộ giải mã nối đƣờng dẫn của từ enable 3×8 decoder word 1 số 2 là 1 nếu địa chỉ đầu vào là 010 word 2 A0 word line A1 • Đƣờng dữ liệu Q3 và Q1 đặt là 1 A2 bởi vì có một kết nối “đƣợc lập data line trình” với đƣờng của từ số 2 programmable connection wired-OR • Từ số 2 không đƣợc kết nối với Q3 Q2 Q1 Q0 đƣờng dữ liệu Q2 và Q0 • Đầu ra là 1010 9 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Thực hiện mạch tổ hợp • Bất cứ mạch tổ hợp nào với n hàm có cùng k biến đều có thể đƣợc thực hiện bằng ROM 2^k x n Truth table Inputs (address) Outputs a b c y z 8×2 ROM 0 0 word 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 word 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 enable 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 c 1 1 1 1 0 1 1 b 1 1 1 1 1 1 1 1 1 word 7 a y z 10 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
ROM lập trình bằng mặt nạ • Các kết nối đƣợc “lập trình” khi sản xuất – Thiết lập các mặt nạ • Khả năng ghi thấp nhất – Chỉ ghi một lần • Chất lƣợng lƣu trữ cao nhất – Bít không bao giờ thay đổi • Đƣợc sử dụng điển hình cho các thiết kế cuối cùng của hệ với dung lƣợng lớn – Giá NRE cao nếu sản xuất với số lƣợng ít 11 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
OTP ROM: ROM lập trình một lần • Các kết nối đƣợc “lập trình” sau khi sản xuất bởi ngƣời sử dụng – Ngƣời sử dụng cung cấp nội dung yêu cầu lƣu trữ trong ROM – Nội dung đƣợc đƣa vào thiết bị gọi là bộ lập trình ROM – Mỗi kết nối có thể lập trình đƣợc là một cầu chì – Bộ lập trình ROM phá vỡ các cầu chì khi không muốn duy trì kết nối • Khả năng ghi rất thấp – Điển hình ghi chỉ một lần và yêu cầu thiết bị lập trình ROM • Chất lƣợng lƣu trữ rất cao – Bit không thay đổi trừ khi kết nối với bộ lập trình • Thƣờng sử dụng trong các sản phầm cuối cùng – Rẻ, khó thay đổi nội dung 12 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
EPROM: ROM lập trình ghi xóa • Phần tử có thể lập trình là một transistor MOS – Transistor có cổng “floating” bao quanh bởi chất cách điện 0V – (a) Điện tích âm hình thành một kênh giữa nguồn và máng lƣu floating gate giữ mức logic “1” source drain – (b) Điện áp dƣơng lớn ở “cổng” làm cho các điện tích âm di chuyển ra khỏi kênh và duy trì trong cổng “floating” lƣu trữ mức (a) logic 0 – (c) (Xóa) chiếu tia UV trên bề mặt cổng “floating” làm cho các điện tích âm trở lại kênh từ cổng “floating” lƣu trữ mức logic 1 +15V – (d) Một IC EPROM có một cửa sổ để tia UV có thể chiếu qua source drain (b) • Khả năng ghi tốt – Có thể tẩy xóa và lập trình hàng nghìn lần 5-30 min • Chất lượng lưu trữ giảm – Chƣơng trình kéo dài khoảng 10 năm nhƣng sẽ bị suy source drain giảm do nhiễu bức xạ và từ trƣờng (c) • Điển hình được sử dụng trong quá trình phát triển sản phẩm (d) . 13 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
EEPROM: ROM có thể ghi xóa bằng điện • Lập trình và xóa bằng điện – Sử dụng mức điện áp cao hơn bình thƣờng – Có thể lập trình và xóa từng từ riêng • Khả năng ghi tốt – Có thể lập trình trong hệ thống với mạch tích hợp để cung cấp điện áp cao hơn mức thông thƣờng • Bộ điều khiển tích hợp trong bộ nhớ thƣờng dùng để ẩn các chi tiết từ ngƣời sử dụng bộ nhớ – Ghi rất chậm do xóa và lập trình • Chân “busy” biểu thị với bộ xử lý là EEPROM vẫn đang trong quá trình ghi – Khả năng xóa và lập trình có thể lên tới 10 nghìn lần • Chất lƣợng lƣu trữ tƣơng tự nhƣ EPROM (khoảng 10 năm) • Thuận tiện hơn EPROMs, nhƣng đắt hơn 14 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Bộ nhớ Flash • Mở rộng của EEPROM – Nguyên lý cổng “floating” tƣơng tự – Chất lƣợng lƣu trữ và khả năng ghi tƣơng tự • Xóa nhanh – Nhiều ô nhớ đƣợc xóa đồng thời, chứ không chỉ một ô nhớ tại một thời điểm – Các khối nhớ có kích thƣớc khoảng vài nghìn byte • Khả năng ghi từng từ có thể chậm hơn – Toàn bộ khối phải đƣợc đọc, từ đƣợc cập nhật, sau đó toàn bộ khối đƣợc ghi • Sử dụng với các hệ thống nhúng lƣu trữ dữ liệu lớn trong bộ nhớ – VD: camera số, điện thoại di động 15 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
RAM: Bộ nhớ “Truy cập ngẫu nhiên” • Thường là bộ nhớ “volatile” external view r/w 2k × n read and write – Dữ liệu bị mất khi không có nguồn cấp enable memory • Khi và đọc dễ dàng trong hệ thống nhúng trong A0 … quá trình làm việc Ak-1 • Cấu trúc bên trong phức tạp hơn ROM … – Một từ nhớ có vài ô nhớ, mỗi ô nhớ chứa một Qn-1 Q0 bít nhớ internal view – Mỗi đƣờng dữ liệu vào và ra kết nối tới mỗi ô I3 I2 I1 I0 nhớ trong cột của nó 4×4 RAM – rd/wr Kết nối tới tất cả các ô nhớ enable 2×4 – Khi hàng đƣợc “enable” bởi bộ giải mã, mỗi ô decoder nhớ có mức logic lƣu trữ bít dữ liệu đầu vào A0 khi chân rd/wr biểu thị ghi hoặc đầu ra lƣu trữ A1 Memory bit khi chân rd/wr biểu thị đọc rd/wr cell To every cell Q3 Q2 Q1 Q0 16 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Các kiểu RAM cơ bản • SRAM: RAM tĩnh memory cell internals – Ô nhớ dùng flip-flop để lƣu trữ bít – Yêu cầu 6 transistors SRAM – Giữ dữ liệu khi có nguồn cấp • DRAM: RAM động Data' Data – Ô nhớ dùng transistor MOS và tụ để lƣu trữ bít W – Gọn nhẹ hơn SRAM – Yêu cầu “Refresh” do tụ bị dò DRAM • Các ô nhớ của từ đƣợc “refresh” khi đọc Data – Tốc độ “refresh” thƣờng khoảng 15.625 W microsec. – Truy cập chậm hơn SRAM 17 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Các biến thể của RAM • PSRAM: RAM giả tĩnh – DRAM với bộ điều khiển “refresh” tích hợp bên trong bộ nhớ – Giá thấp và mật độ lƣu trữ cao hơn so với SRAM • NVRAM: Nonvolatile RAM – Lƣu trữ giữ liệu ngay cả khi không cấp nguồn – RAM có nguồn dự phòng • SRAM với battery đƣợc kết nối vĩnh cửu • Ghi nhanh nhƣ đọc • Không giới hạn số lần ghi – SRAM với EEPROM hoặc flash • Lƣu trữ toàn bộ nội dung của RAM trên EEPROM hoặc flash trƣớc khi ngắt nguồn 18 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Ví dụ: Thiết bị HM6264 & 27C256 RAM/ROM • Là thiết bị giá thấp, mật độ thấp 11-13, 15-19 data data • Thƣờng dùng trong bộ hệ thống 2,23,21,24, addr 11-13, 15-19 addr 27,26,2,23,21, nhúng dựa trên vi điều khiển 8- 25, 3-10 22 /OE 24,25, 3-10 22 /OE bit 27 /WE 20 /CS • Hai số đầu thể hiện kiểu thiết bị 20 /CS1 26 CS2 HM6264 27C256 – RAM: 62 block diagrams – ROM: 27 Device Access Time (ns) Standby Pwr. (mW) Active Pwr. (mW) Vcc Voltage (V) HM6264 85-100 .01 15 5 27C256 90 .5 100 5 • Các số tiếp theo biểu thị dung device characteristics lƣợng tính theo kilobits Read operation Write operation data data addr addr OE WE /CS1 /CS1 CS2 CS2 timing diagrams 19 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Ví dụ: Thiết bị nhớ TC55V2325FF-100 • Thiệt bị nhớ SRAM 2- data Device TC55V23 Access Time (ns) 10 Standby Pwr. (mW) na Active Pwr. (mW) 1200 Vcc Voltage (V) 3.3 addr megabit 25FF-100 addr device characteristics • Thiết kế để giao tiếp /CS1 với bộ xử lý 32-bit /CS2 A single read operation • Có khả năng đọc ghi CS3 CLK tuần tự nhanh /WE /ADSP /OE /ADSC MODE /ADV /ADSP addr /ADSC /WE /ADV /OE CLK /CS1 and /CS2 TC55V2325F CS3 F-100 data block diagram timing diagram 20 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt