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如何選擇最適用的SRAM存儲器

2017-03-20 16:06:48

  SRAM(靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器)是一種只要在供電條件下便能夠存儲數(shù)據(jù)的存儲器件,而且是大多數(shù)高性能系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵部分。SRAM具有眾多的架構(gòu),各針對一種特定的應(yīng)用。本文旨在對目前市面上現(xiàn)有的SRAM做全面評述,并簡單說明就某些特定用途而言,哪類SRAM是其最佳選擇。 SRAM從高層次上可以劃分為兩個(gè)大類:同步型和異步型。同步型SRAM采用一個(gè)輸入時(shí)鐘來啟動至存儲器的所有事務(wù)處理(讀、寫、取消選定等)。而異步型SRAM則并不具備時(shí)鐘輸入,且必須監(jiān)視輸入以獲取來自控制器的命令。一旦識別出某條命令,這些器件將立即加以執(zhí)行。
  同步SRAM分類
  與某一特定應(yīng)用相適應(yīng)的最佳SRAM的選擇取決于多個(gè)因素,其中包括功率限制、帶寬要求、密度以及讀/寫操作模式等??蓾M足不同系統(tǒng)要求的同步型和異步型SRAM多種多樣,本文將逐一加以說明。
  各種同步型SRAM比較
  同步型SRAM于上個(gè)世紀(jì)80年代后期首度面市,最初是面向具有極高性能的工作站和服務(wù)器中的第二級(L2)高速緩沖存儲器應(yīng)用。在上個(gè)世紀(jì)90年代中期之后,它又在較為主流的應(yīng)用(包括個(gè)人電腦中的第二級高速緩沖存儲器)中尋覓到了自己的用武之地。從此以后,在包括高性能網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的眾多應(yīng)用的設(shè)計(jì)中,同步型SRAM大行其道(在這些應(yīng)用中,它們通常被用于數(shù)據(jù)緩沖器、高速暫存器、隊(duì)列管理功能和統(tǒng)計(jì)緩沖器)。
  同步型SRAM又可以采用多種不同的架構(gòu)。下文將對某些“主流”的器件做簡要說明。
  1:標(biāo)準(zhǔn)同步型SRAM
  標(biāo)準(zhǔn)同步型SRAM是被“主流應(yīng)用”所接納的第一種同步型SRAM。這些器件雖然主要面向PC L2高速緩沖存儲器應(yīng)用,但也滲透到了非PC應(yīng)用領(lǐng)域中,比如網(wǎng)絡(luò)、電信、數(shù)字信號處理(DSP)以及醫(yī)療和測試設(shè)備。其中,標(biāo)準(zhǔn)同步型SRAM具有兩種基本格式:流水線型和直通型。兩者之間的差異是:直通型SRAM僅在輸入端上具有寄存器,當(dāng)?shù)刂泛涂刂戚斎氡徊东@且一個(gè)讀存取操作被啟動時(shí),數(shù)據(jù)將被允許 “直接流”至輸出端。當(dāng)用戶對初始延遲的重要性考慮超過對持續(xù)帶寬的考究時(shí),人們往往優(yōu)先采用直通型架構(gòu)。“流水線型”同步SRAM同時(shí)擁有一個(gè)輸入寄存器和一個(gè)輸出寄存器。流水線型SRAM所提供的工作頻率和帶寬通常高于直通型SRAM。因此,在需求較高寬帶,而對初始延遲不是很敏感時(shí),人們常常優(yōu)先采用流水線型SRAM。
  2:NoBLTM(無總線延遲)型SRAM
  有些應(yīng)用不允許“等待狀態(tài)”。比如網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中“等待狀態(tài)”有可能對性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。為解決該問題,賽普拉斯公司推出了無總線延遲(NoBL)型SRAM。NoBL型SRAM與標(biāo)準(zhǔn)同步型SRAM很相似,但是擁有附加的片上邏輯電路,旨在完全消除標(biāo)準(zhǔn)同步型SRAM系列所需的“等待狀態(tài)”。通過消除這些“等待狀態(tài)”,此類SRAM能夠?qū)崿F(xiàn)100[%]的總線利用率(絲毫不受讀/寫模式的影響)。該功能極大地改善了存儲器性能,尤其是當(dāng)存在頻繁的讀/寫操作變換時(shí)。
  NoBL型SRAM也存在兩種版本:直通型和流水線型。直通型NoBL SRAM始終具有一個(gè)單周期偏移,而NoBL流水線型SRAM則保持了一個(gè)雙周期偏移。
  3:四倍數(shù)據(jù)速率(QDRTM)型SRAM
  盡管推出了NoBL型架構(gòu)并使性能較之標(biāo)準(zhǔn)同步型SRAM有所改善,但某些系統(tǒng)對性能有著更高的要求。于是,賽普拉斯、Renesas、IDT、NEC和三星等幾家公司聯(lián)合開發(fā)出了QDR型SRAM。QDR架構(gòu)旨在滿足那些要求低延遲且所需帶寬明顯高于NoBL型架構(gòu)提供能力的“高帶寬需求型”系統(tǒng)的需要。 QDR型SRAM與NoBL型SRAM最為顯著的差異之一是前者的讀端口和寫端口是分開的。這些端口可獨(dú)立工作,并支持并行的讀和寫事務(wù)處理。QDR型 SRAM能夠以DDR傳輸速率(2倍)來支持兩項(xiàng)同時(shí)出現(xiàn)的事務(wù)處理,四倍數(shù)據(jù)速率(QDR)的名稱便是由此得來的。
  QDR型SRAM具有兩種基本類型:即2字脈沖串和4字脈沖串。這兩種類型之間的差異在于每項(xiàng)事務(wù)處理過程中所支持的脈沖串長度。
  4:QDR-II型SRAM
  QDR- II型SRAM與QDR型SRAM相似,但在性能方面進(jìn)一步提升。與相同頻率的QDR型器件相比,QDR-II型SRAM所產(chǎn)生的總數(shù)據(jù)有效窗口面積大了 35[%]左右。另外,QDR-II型SRAM產(chǎn)品還比QDR型器件多了一個(gè)半延遲周期。這增加的半個(gè)時(shí)鐘周期可在對初始延遲影響極小的情況下提供高得多的頻率和帶寬。
  5:DDR型SRAM
  如果QDR型SRAM面向的是具有平衡讀/寫模式的應(yīng)用,DDR型SRAM架構(gòu)則主要針對那些需要進(jìn)行數(shù)據(jù)流式傳輸(例如,后隨多項(xiàng)寫操作的多項(xiàng)讀操作)、且所需帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)同步型器件或NoBL型器件的應(yīng)用。DDR型SRAM具有出眾的整體總線利用率以及高得多的總帶寬,性能也因此得到了最大限度的提升。
  和QDR型SRAM一樣,DDR型SRAM也有兩種格式:即2字脈沖串和4字脈沖串。究竟選擇哪一種取決于所需的數(shù)據(jù)顆粒度以及存儲器的數(shù)據(jù)總線寬度。
  各種異步型SRAM比較
  第二大類SRAM為異步型SRAM。那些不具備時(shí)鐘輸入的SRAM便是異步型的。在這些器件中,讀操作和寫操作將在器件接收到指令之后立即被啟動。
  采用異步型SRAM最大的優(yōu)點(diǎn)之一是它們擁有長達(dá)幾十年的使用歷史并已為人們所充分了解。由于異步型SRAM已經(jīng)面市很久了,因此許多標(biāo)準(zhǔn)處理器都包含了業(yè)已配備異步型SRAM接口的存儲控制器,從而最大限度地減少了所需的設(shè)計(jì)工作量。異步型SRAM的典型存取時(shí)間為8ns(或更長)。因此,它們一般應(yīng)用于時(shí)鐘頻率為100MHz(或更低)的系統(tǒng)中。異步型SRAM可被進(jìn)一步劃分為兩種主要類別:即快速異步型SRAM和低功耗異步型 SRAM(MoBLTM)。
  1:快速異步型SRAM
  存取時(shí)間為35ns(或更短)的異步型SRAM可被歸類為“快速”異步型SRAM。這些存儲器通常應(yīng)用于老式系統(tǒng)中,且功耗較高(1/2W或更高是司空見慣的)。其典型應(yīng)用包括老式PC L2高速緩沖存儲器、高速暫存器以及工業(yè)應(yīng)用中的緩沖存儲器。
  2:MoBLTM低功耗異步型SRAM
  有些應(yīng)用(例如移動電話)對功耗的關(guān)注程度要超過對性能的關(guān)注程度。因此,制造商(比如賽普拉斯公司)推出了功耗極低的SRAM系列。賽普拉斯的 MoBL(意指“更長的電池使用壽命”)低功耗異步型SRAM產(chǎn)品庫匯集了多款典型存取時(shí)間約為40ns(或更長)并專為實(shí)現(xiàn)低功耗而優(yōu)化的器件。典型待機(jī)功耗可低至10μW(或更低),而運(yùn)行功耗則可低至30mW(或更低)。這些器件的存儲密度各異,從64Kb到16Mb一應(yīng)俱全。
  偽SRAM(亦即PSRAM)
  如果需要16Mb以上的存儲密度,則PSRAM(或稱偽PSRAM)是一種可行的解決方案。所謂偽SRAM是指一種具有一個(gè)DRAM存儲器內(nèi)核和一個(gè) “SRAM型”接口的存儲器件。由于PSRAM使用了一個(gè)DRAM內(nèi)核,因而也需要進(jìn)行周期性的刷新,以便保存數(shù)據(jù)。但不同的是,標(biāo)準(zhǔn)DRAM的刷新控制是在器件外部進(jìn)行的,而PSRAM則具有一個(gè)“隱式”刷新電路,這使得它們能夠被容易地用作其他異步型SRAM的存儲密度升級型器件。
  結(jié)論
  在選擇SRAM時(shí),您會面對眾多的選擇方案。在某些場合,選擇是有限的。許多已經(jīng)確立了自己穩(wěn)固地位的處理器都包含了支持特殊SRAM架構(gòu)的存儲控制器。新型處理器的設(shè)計(jì)則更靈活。為了決定最佳的可選方案,至關(guān)重要的是確定存儲器子系統(tǒng)(即兆比特每秒、初始延遲、運(yùn)行功耗、待機(jī)功耗、成本等等)的優(yōu)先級以及系統(tǒng)的工作特性(讀/寫操作模式、工作頻率等等)。
  網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用往往具有接近50/50的讀/寫模式,它適合于采用QDR系列的解決方案。其他應(yīng)用(甚至是同一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的功能電路)則往往具有不平衡的讀/寫模式,這就適合于采用公共I/O架構(gòu),包括標(biāo)準(zhǔn)同步型、NoBL型和DDR型。
  另有一些系統(tǒng)要求可能的最低功耗,以便延長電池的使用壽命,可選用的方案分別為MoBL型SRAM和PSRAM。
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