Memorias

Memorias
Índice

Características: escritura y persistencia

Tipos de memorias

Construcción de memorias

Jerarquía de memorias

RAM avanzada
Memorias

Almacenamiento de bits




m x n: m palabras de n bits
Señales de direcciones k = Log2(m)
o m = 2^k posiciones
Ej: memoria 4096 x 8:




32,768 bits
12 líneas de direcciones
8 líneas de datos
Señales de acceso a memoria




RD/WR: lectura o escritura
Enable o chip select: habilitación
Multipuerto: accesos simultáneos a diferentes posiciones
También acceso serie o paralelo
Estructuras de memorias
Memoria m × n
…
R/W
Memoria 2k × n
/CS
A0
m
posic
iones
…
…
Ak-1
…
n bits por posición
Qn-1
Q0
Persistencia
Escritura y persistencia
ROM
Vida del
producto
OTP ROM
EPROM
Decenas
de años
Duración
de la
batería
(~10 años)
Memoria ideal
EEPROM
FLASH
NVRAM
No volátiles
Programables
en campo
Casi
nada
SRAM/DRAM
Escritura
En la ProgramadorProgramador En campo
En campo
fabricación (1 vez) (1000s veces) (1000s) (1000s ciclos)
por bloques
En campo
sin límite
de ciclos
Escritura

Capacidad de escritura

Alta



Media




Es necesario un “programador” (equipo específico)
Ej: EPROM, OTP ROM
Nula



El micro escribe a la memoria, más lentamente
Ej: FLASH, EEPROM
Baja


El micro escribe a la memoria de forma directa, rápida y fácil
Ej: RAM
Sólo se escribe durante la fabricación
Ej: ROM de máscara
Programación en campo


El micro puede escribir en el funcionamiento normal del sistema
Memorias en el nivel alto o medio de capacidad
Persistencia

Persistencia del almacenamiento

Alta



Media




La información permanece mientras haya alimentación
Ej: SRAM
Muy baja



La información se mantiene durante días, meses o años sin alimentación
Ej: NVRAM
Baja


Nunca pierde la información
Ej: ROM de máscara
La información se empieza a perder justamente tras ser escrita
Ej: DRAM
Memoria no volátil


Mantiene la información sin alimentación
Nivel alto o medio de persistencia
ROM: Read-Only Memory




Memoria no volátil
Se puede leer en campo, pero no escribir
Lo normal es escribirla antes de insertarla en el sistema
Usos

Programa (software )de un sistema empotrado



Cada instrucción puede ocupar una o más direcciones
Constantes necesarias en el sistema o LUTs
Circuito combinacional
Ejemplo: ROM 8x4







Horizontal = palabra
Vertical = dato
Sólo hay conexiones en los
puntos
Si A=010, el DEC pone a la
línea horiz. 2 a 1
Las líneas de datos Q3 y Q1 se
ponen a 1 por las conexiones
programadas con la línea 2
La línea 2 no está conectada
con Q2 ni Q0
La salida es 1010
Internal view
8 × 4 ROM
enable
word 0
3×8
decoder
word 1
word 2
A0
A1
A2
word line
data line
programmable
connection
wired-OR
Q3
Q2 Q1 Q0
ROM de máscara

Las conexiones se programan al fabricarse


Más baja capacidad de escritura


1 vez
Más alta persistencia


Máscaras de fotolitografía
Nunca pierde la información salvo daño físico
Se usa para el producto final en grandes tiradas
OTP ROM


Las conexiones se programan por el usuario

Fichero de conexiones. Programador de ROM

Cada conexión programable es un fusible

Donde no debe haber conexión el fusible se funde
Capacidad escritura muy baja


Persistencia muy alta


Sólo una vez
Los bits permanecen mientras no se fundan más fusibles
Usada en producto final

Barata, difícil de modificar accidentalmente
EPROM

Transistor MOS programable (FAMOS)

floating gate
Puerta flotante y aislante
drain
source

(a) Los electrones forman el canal. Se almacena un 1

(b) Tensión alta en la puerta. Los electrones quedan atrapados
en la puerta flotante. El transistor no conduce. Se almacena un
0

(c) (Borrado) UV en la puerta flotante. Los electrones vuelven
al canal. Se vuelve a almacenar un 1


+15V
(b)
source
drain
(d) Chip EPROM con ventana
5-30 min
Se puede borrar y programar miles de veces
source
(c)
Persistencia media


(a)
Capacidad de escritura media


0V
Persiste 10 años, pero es sensible a la radiación y al
ruido eléctrico
Se usa en la fase de diseño
(d)
drain
EEPROM


Programación y borrado eléctrico

Tensión más elevada

Se pueden borrar palabras o bloques de una vez
Capacidad de escritura

Programable en campo si hay un circuito de generación de
tensiones altas


Muy lentas de programar y borrar


Suelen tener un controlador de memoria para gestionar el ciclo de
programación
Suelen tener una señal de “ocupado”
Se pueden programar y borrar decenas de miles de veces

Persistencia 10 años (como EPROM)

Mucho más caras que EPROM
Flash


Extensión de las EEPROM

Similar estructura de puerta flotante, aunque diferente efecto
físico

Misma capacidad de escritura y persistencia
Borrado rápido


La escritura puede ser más lenta


Se pueden borrar bloques (decenas de kilobits) de una vez
Leer bloque, modificar un valor, escribir el bloque entero
Se usa en sistemas que necesiten gran capacidad de
almacenamiento

Ej: cámaras digitales, móviles, grabadores vídeo,...
Flash NAND y NOR
NAND: mayor
densidad (aprox.
el doble), menor
tiempo de
escritura, acceso
secuencial o por
bloques
Memoria de
almacenamiento
NOR: mucho
menor tiempo de
lectura, acceso
aleatorio
Memoria de
arranque o de
ejecución
RAM

Memoria volátil



La información se pierde si falla
la alimentación
e
xt
er
n
al
2k × n read
and
vi
write memory
e
w
r/w
enable
A0
…
Ak-1
…
Fácil lectura y escritura en
funcionamiento
Qn-1
Q0
internal view
I3 I2 I1 I0
La estructura interna es más
compleja
4×4 RAM
enable
2×4
decoder
A0
A1
rd/wr
Memory
cell
To every cell
Q3 Q2 Q Q
1
0
Tipos de RAM


SRAM: Static RAM

Cada bit se almacena en un biestable

6 transistores por bit

Mantiene el dato si hay alimentación
SRAM
Data'
Data
W
DRAM: Dynamic RAM

Se usa un transistor y un condensador
por bit

Mucho más compacta que SRAM

Necesita refresco debido a las pérdidas
del C

Las celdas se refrescan al leerse

Tiempo de refresco típico 15.625us

Más lentas que SRAM
DRAM
Data
W
Estructura interna RAM
Expansión de memorias
Expansión del tamaño de palabra
Expansión de la capacidad
RAM avanzada


Hoy día DRAM es la memoria principal en la mayoría de
sistemas empotrados (alta capacidad, bajo coste)
Variantes de DRAM

Mejora al mismo ritmo que la velocidad de los micros

FPM DRAM: Fast Page Mode DRAM

EDO DRAM: Extended Data Out DRAM

SDRAM/ESDRAM: Synchronous and Enhanced Synchronous
DRAM. SDR, DDR, DDR2, DDR3, DDR4

RDRAM: RAMBUS DRAM
DRAM

El circuito de refresco se
deshabilita en los ciclos de
lectura o escritura
address
Sense
Amplifiers
cas
ras
Col Decoder
cas,ras, clock
Lee direcciones consecutivas
periódicamente, forzando el
refresco de las celdas
Refresh
Circuit
Row Decoder

rd/wr
ColAddr
. Bufer
El circuito de refresco puede
ser externo o interno
data
RowAddr.Bufer

Se captura la fila y la columna,
secuencialmente, indicado por
las señales RAS y CAS
DataIn Bufer

Bus de direcciones
multiplexado en filas y
columnas
DataOut Bufer

Bit storage array
Problemas con DRAM

La SRAM se integra en el chip del micro

Pero la DRAM no:

Proceso de fabricación diferente

En la fabricación CMOS normal:


En la fabricación de DRAM:


Se trata de minimizar las capacidades parásitas
para reducir las pérdidas y los retrasos
Se trata de hacer condensadores grandes
Hay algunos procesos capaces de integrar
ambos
Memory Management Unit
(MMU)



Trata los detalles de acceso a DRAM

Señales RAS, CAS y otras

Mapeado direcciones lógicas a físicas
Muchos micros la traen ya integrada
Permite el acceso a DRAM de forma
transparente al programador