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  • NV-SRAM是业界最快的非易失性RAM,对于所有读取和写入操作,提供高达20 ns的访问速度。使用NV-SRAM代替慢速SRAM可以最大程度地减少缓存管理工作。 可靠性:NV-SRAM中使用的SONOS技术提供了无与伦比的可靠性。在目前...

    NV-SRAM具有以下优点,可以满足理想SRAM器件的要求,该器件适用于游戏应用中的非易失性缓存实施。

    快速访问:系统性能与所使用的高速缓存的访问速度直接相关。如果管理不当,则连接到快速控制器的慢速缓存会大大降低系统性能。因此高速缓存管理成为这种系统设计的重要方面。 NV-SRAM是业界最快的非易失性RAM,对于所有读取和写入操作,提供高达20 ns的访问速度。使用NV-SRAM代替慢速SRAM可以最大程度地减少缓存管理工作。

    可靠性:NV-SRAM中使用的SONOS技术提供了无与伦比的可靠性。在目前的非易失性RAM技术中,工业温度范围在85ºC下可保存20年的数据是最高的之一。这使NV-SRAM成为最可靠的非易失性技术,并且是游戏应用程序的理想选择。

    无限的耐用性:NV-SRAM允许将关键数据无限次写入其SRAM单元中,而不会耗尽耐久力或不适当的磨损平衡。当使用有限的耐用性计数非易失性存储器(例如EEPROM和闪存)时,这消除了在软件中实现损耗平衡或计算耐用性周期所需的所有工作。

    绿色(无电池):与电池供电的SRAM不同,NV-SRAM是不涉及电池的绿色解决方案。它仅使用一个小电容器将SRAM内容存储到非易失性元件,从而无需任何额外的备用电源即可保留数据。

    实时时钟:许多游戏系统都希望在写入安全位置之前对关键数据进行时间戳记。这通常需要额外的RTC芯片和相关组件。 NV-SRAM带有集成RTC功能的选项。这不仅减少了BOM成本和电路板空间,而且还释放了一些与外部RTC器件接口所需的专用引脚资源。
    在这里插入图片描述
    表1.赛普拉斯的16 Mb NV-SRAM

    NV-SRAM除了是最快的非易失性SRAM解决方案之外,NV-SRAM还已经证明了其可靠性超过20年。 NV-SRAM具有16兆位的密度,这在游戏应用中通常是必需的。

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  • 计算机系统中存在多种物理存储介质,比较有代表性的有以下几种介质。 寄存器(register) 高速缓冲存储器(cache) 主存储器(main memory) ...寄存器寄存器是距离CPU最近、访问数据速度最快的存储介质,

    计算机系统中存在多种物理存储介质,比较有代表性的有以下几种介质。

    • 寄存器(register)
    • 高速缓冲存储器(cache),即缓存
    • 主存储器(main memory),即内存
    • 快闪存储器(flash memory),即闪存
    • 磁盘存储器(magnetic-disk storage),即硬盘、磁盘
    • 光学存储器(optical storage)
    • 磁带存储器(tape storage)

    寄存器


    寄存器是距离CPU最近、访问数据速度最快的存储介质,用来做一些最基本的指令和地址存储。寄存器从内存中获取数据,然后在CPU中进行处理,处理完后又将数据暂时存放在寄存器中,再从寄存器传输到内存中。寄存器不需要很大容量,但是必须有匹配CPU的数据传输速度,所以它被集成在了CPU内部以节省数据传输的时间,是CPU的一部分。寄存器具有高性能、高耗电的特点,所以造价成本较高。

    对计算机存储结构不了解的人可能会问,既然寄存器的速度这么快,为什么不能用寄存器来存储所有数据呢?

    一是由于上面说过的原因,容量小、造价高;二是这样的设计非常不合理。可以把数据源比作一个菜市场,处理数据的CPU、寄存器就相当于厨房,你不能为了方便,把整个菜市场的食材都搬回厨房。


    高速缓冲存储器


    高速缓冲存储器就是我们常说的“缓存”。

    如果你的程序要获取的数据刚好在寄存器中,则你可以直接获得该数据。如果在内存中,则需50-200个周期。可见速度差别非常大。如果每次寄存器都从内存中去读取数据,则耗费时间将会相当多。为了弥补这一速度差异,工程师们设计了“缓存”这一工作方式。CPU频繁访问的数据被存储在了缓存中。CPU要获取数据时,首先访问缓存,如果命中则得到数据,如果没有命中则再去访问内存。至于缓存怎么判断哪些数据是会被频繁访问的,这就涉及到相关的算法问题了。

    缓存使用的是比一般的RAM(Random Access Memory)存取速度更快的SRAM(Static Random Access Memory)。RAM一般分为静态RAM(static RAM, SRAM)和动态RAM(dynamic RAM, DRAM)。SRAM的速度虽然比DRAM快,但成本高得多,所以不可能将DRAM全部替换成SRAM。但是为了扩大缓存容量,工程师增加了多个高速动态RAM,将原来的SRAM叫做一级缓存,新增的DRAM叫做二级缓存。CPU访问数据先是在一级缓存中找,找不到再到二级缓存中找,再没有就去内存中找。


    主存储器


    主存储器就是我们常说的(狭义的)“内存”。使用的是DRAM。

    它之所以叫动态,是因为将数据写入DRAM后,一段时间过后数据会丢失,需要一个额外的电路不断对其进行刷新操作才行。因为DRAM储存数据利用的是电容中是否有电荷,有代表1,无代表0。但是电容会放电或吸电,刷新操作会对其进行检查。如果电量大于满电量的1/2,则将电充满,否则将电全部放掉。

    SRAM虽然不需要刷新操作,但是断电后仍会丢失数据。所以RAM都要在有电源时工作。

    内存和缓存在广义上整体被称为内存储器(简称内存)或主存储器,而其他外部不依赖电存储数据的设备(如磁盘、光盘等)统称外存储器或辅助存储器。内存是CPU和外部存储设备之间的桥梁,用来存放那些将要被CPU处理的数据,以及与外部设备交换数据。

    除了RAM,还有一种内存被称为ROM(Read Only Memory)。ROM的速度要远远慢于RAM,只能读取,不能写入,可在断电后保存数据。ROM一般用来存储一些固定的系统软件或字库,PC的BIOS芯片就是ROM。由于ROM不能改写、不能升级,现在已经很少使用。早期的游戏卡带也是ROM。

    需要指出的是,由于ROM断电后可存储数据,很多人将ROM和硬盘混为一谈,实际上两者完全不同。ROM是内存储器,硬盘是外存储器。


    快闪存储器


    快闪存储器即是我们常说的”闪存“。不同于内存,它在电源关闭时(或故障时)数据可保存下来。
    它是一种外部存储器,多用于照相机、音乐播放器、手机等设备(如SD卡,Secure Digital Memory Card)。现在的游戏卡一般都是闪存。U盘用的也是快闪技术。另外,快闪存储器也在作为磁盘存储器的替代品越来越多地被使用,即所谓的”固态硬盘(ssd,solid state disk)“。


    磁盘存储器


    磁盘存储器就是”磁盘“、”硬盘“或”机械硬盘“。

    是长期联机存储数据的主要介质。为了能够访问数据,系统必须将数据从磁盘移到内存。完成处理后,数据要写回磁盘。由于访问磁盘非常耗时,而且频繁操作磁盘也会造成磁盘损伤,所以有了”磁盘缓存“这一设计。

    移动硬盘是机械硬盘还是固态硬盘?

    都有。固态的移动硬盘一般较贵,容量较小。


    光学存储器


    光学存储器最流行的形式就是光盘(Compact Disk, CD)。CD一般容量较小,数字视频光盘(Digital Video Disk, DVD)容量较大一些,可以存储任何数字数据。蓝光DVD拥有更高的容量。


    磁带存储器


    磁带存储器主要用于备份数据和归档数据,个人一般很少用到。

    磁带存储器比磁盘便宜,访问数据比磁盘更慢,容量更大。


    最快的存储介质,如缓存和内存,被成为基本存储;磁盘被称为辅助存储或联机存储;磁带、光盘等被称为三级存储或脱机存储。

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  • 铁电存储器(FRAM)是一种随机存取存储器,是一种特殊工艺的非易失性的存储器,它将DRAM的快速读取和写入访问,它是个人电脑存储中常用的类型,与在电源关掉后保留数据能力(就像其他稳定的存储设备一样,如只读...

    铁电存储器(FRAM)是一种随机存取存储器,是一种特殊工艺的非易失性的存储器,它将DRAM的快速读取和写入访问,它是个人电脑存储中最常用的类型,与在电源关掉后保留数据能力(就像其他稳定的存储设备一样,如只读存储器和闪存)结合起来。接下来宇芯电子介绍关于非易失性FRAM中的预充电操作。

    预充电是FRAM的内部条件,在该条件下,存储器被调适以进行新的访问。

    FRAM设备中的预充电操作在以下任何条件下启动:
    1.驱动芯片使能信号/CE至高电平
    2.更改高位地址位(例如,设备FM28V100的A16-A3)

    FRAM中的读取操作具有破坏性,因为它需要切换极化状态才能感知其状态。在初始读取之后,读取操作必须将极化恢复到其原始状态,这会增加读取操作的周期时间。FRAM的读和写周期需要一个初始的“预充电”时间,这可能会增加初始访问时间。

    在这里插入图片描述

    图1:FRAM读写周期

    启动预充电操作后,需要花费tPC时间才能完成。由于FRAM中读取的破坏性,如果不回写,则会丢失FRAM单元中的数据。预充电操作可确保将数据安全地写回到FRAM单元中。这是通过使用内部缓冲区来实现的。对于每次访问(读/写),FRAM将所需的数据行从存储单元读取到内部缓冲区。数据在读取操作中从内部缓冲区输出,或者在内部缓冲区中进行写操作修改。在预充电操作期间将其写回到FRAM单元。下面以示例说明预充电操作。

    考虑一个FRAM,其行大小为8个字节(例如FM28V100)。要从第二个地址位置(0x0002)读取数据,FRAM将从FRAM存储器阵列的第一行读取到内部缓冲区,并从该内部缓冲区的第二个位置输出数据。如果下一次访问是读取地址位置0x0005,则FRAM将从内部缓冲区的第5个位置输出数据,该内部缓冲区已经包含正确的数据,因为存储器行未更改。如果下一次访问是对属于存储器阵列第二行的地址位置0x0009,则FRAM会将第一行从内部缓冲区写回到阵列,然后将第二行读入内部缓冲区。数据从内部缓冲区的第一个位置输出(对应于0x0009)。当取消选择芯片(/CEHIGH)时,也会将数据写回到FRAM阵列。

    要将数据写入第3个位置(0x0003),FRAM将从铁电存储器芯片阵列的第一行读取到内部缓冲区,然后将内部缓冲区的第3个位置修改为要写入的数据。然后,当取消选择芯片或启动对另一行的访问时,FRAM将内部缓冲区写回到FRAM阵列。

    每次访问后应满足预充电时间(tPC)。取消选择芯片或访问另一行时,未达到预充电时间可能会导致内存损坏。

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  • 我们SDRAM控制器具有以下特点:易于使用:使SDRAM看起来像一个静态存储器(或尽可能地接近)。快速:如果您提供连续地址,则在突发模式下使用SDRAM。简单:没有排程,一次只有一家银行处于活跃状态。功能强大:...

    我们的SDRAM控制器具有以下特点:

    • 易于使用:使SDRAM看起来像一个静态存储器(或尽可能地接近)。
    • 快速:如果您提供连续地址,则在突发模式下使用SDRAM。
    • 简单:没有排程,一次只有一家银行处于活跃状态。
    • 功能强大:SDRAM显示为一个简单的双端口存储器(即只有一个写入代理和一个读取代理)。

    控制器最罕见的功能可能是最后一个。SDRAM是单端口存储器,但FPGA可以通过访问双端口存储器(如blockrams)获益匪浅,因此我们认为这是一个很好的功能。

    控制器信号

    这是我们的SDRAM控制器的简单视图。

    写入代理使用左侧的前三个信号(“写入请求”,后面跟着“写入地址”和“写入数据”)。然后低于阅读代理的三个信号。在右侧,控制器驱动SDRAM信号。为了说明问题,下面是使用我们的SDRAM控制器的典型FPGA系统的视图。

    现在我们的控制器使SDRAM显示为双端口存储器。但是SDRAM实际上是一个单端口内存,所以我们的控制器必须发挥作用。如果我们的控制器同时获得两个请求,它不得不停止一个代理,或记录他们的请求并在稍后执行。我们的控制者选择第一种策略。所以我们添加了“授权”信号:代理可以在任何时候声明一个请求,但控制器有权授予请求或不授权。如果请求被拒绝,请继续询问,最终将被授予。

    SDRAM的最后一个复杂性来自于读取请求返回的数据延迟(称为SDRAM数据表中CAS延迟)。控制器也可能会增加几个时钟的延迟。因此,即使控制器可能立即授予读取请求,匹配数据只能在固定数量的时钟后才可用。为了方便起见,我们添加了一个“数据有效”信号,当数据真正可用时,该信号被断言。

    状态机

    我们的SDRAM控制器的心脏是一台状态机。控制器等待请求(读取或写入),打开匹配的存储体/行,发出读取或写入命令(只要活动代理在活动行中请求它们),最后关闭该行。

    有了这个计划,一次只有一家银行活跃起来。先进的SDRAM控制器可以同时激活多个存储体,但我们决定保持简单。

    现在,打开和关闭行需要时间。例如,我们的SDRAM数据表提供了这些数字:

    • tRCD = 20ns(有效可读/写)
    • tRP = 21ns(预充电至有效)
    所以如果我们在100MHz下运行我们的SDRAM,时钟周期为10ns,我们需要在状态机中添加一些空的时钟周期(称为NOP)。
    如果读取代理不能保证定期打开每一行,还需要刷新周期。

    状态机现在看起来有点复杂。

    最后,可能需要调整NOP周期的数量。例如,在100MHz和tRP = 21ns的情况下,预充电后实际需要两个NOP周期(在下一次激活之前给我们30ns)。

    初始化

    SDRAM有一些可编程设置(如CAS延迟),因此需要在上电后初始化“MODE”寄存器。“LOAD MODE”命令用于此目的。SDRAM初始化可以添加到控制器中,或者在控制器运行之前的一个单独步骤中添加。

    代码

    我们的控制器的核心如下所示。
    为了获得尽可能好的IO时序,所有的SDRAM控制信号都被注册,以便FPGA中不存在组合逻辑信号。

    alway @(posedge clk)//状态机
     case(state)
        2'h0:begin
        	,if(RdReq | WrReq)开始   //是否有读或写请求?
        		SDRAM_CMD <= SDRAM_CMD_ACTIVE; //如果是的话,打开
        		SDRAM_BA <= Addr [19]; //这家银行
        		SDRAM_A <= Addr [18:8]; //这一行
        		SDRAM_DQM <= 2'b11;
        		state<= 2'h1;
        	end
        	others
        	begin
        		SDRAM_CMD <= SDRAM_CMD_NOP; //保持空闲状态
        		SDRAM_BA <= 0;
        		SDRAM_A <= 0;
        		SDRAM_DQM <= 2'b11;
        		状态<= 2'h0;
        	end 
        end 
        2'h1:begin
        	SDRAM_CMD <= ReadSelected?SDRAM_CMD_READ:SDRAM_CMD_WRITE;
        	SDRAM_BA <= AddrR [19];
        	SDRAM_A [9:0] <= {2'b00,AddrR [7:0]}; //列
        	SDRAM_A [10] <= 1'b0; //没有自动预充电
        	SDRAM_DQM <= 2'b00;
        	状态<=(ReadSelected?RdReq:WrReq)&SameRowAndBank?2'h1:2'h2;
        end
        2'h2:begin
        	SDRAM_CMD <= SDRAM_CMD_PRECHARGE; //完成后关闭该行
        	SDRAM_BA <= 0;
        	SDRAM_A <= 11'b100_0000_0000; //所有银行预充电
        	SDRAM_DQM <= 2'b11;
        	状态<= 2'h0;
       end
    endcase
    

    完整的演示代码在这里可用它是功能性的,但由于这是教育性的,我们通过删除非基本功能尽可能简化它。检查代码中的注释以了解限制和要求。

    使用示例

    SDRAM通常用于视频卡,因为需要大量内存来存储图形。它的工作方式如下:计算机的CPU将图形数据发送到视频卡。该卡使用SDRAM来存储数据,并且卡中的控制器定期读取存储器以将数据发送到显示器。数据(在SDRAM中)在此过程中自动刷新。

    我们使用Xylo-EM板创建了这样的基本系统,作为我们验证过程的一部分。SDRAM控制器是双端口的,这使设计变得简单(PC / FX2是写代理,视频控制器是阅读代理)。


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