Les technologies mémoires pour l`embarqué

Technologies des
mémoires dans les
systèmes embarqués
Richard Grisel – Professeur des Universités – Université
de Rouen
Introduction
„ Mémoire vous avez dit mémoire?
Stockage des informations
„ Quel type d’information?
„
„
Donnés
Code opérationnel (programme)
Tendances techniques
„
„
„
„
„
„
„
„
Logiciel plus complexe
Conversion Analogique Numérique
Nombre d’utilisateurs croissants
Problème d’adaptation de bande passante entre la
mémoire et le CPU
Protocoles plus rapides
Demande croissante en systèmes mobiles
Interfaces utilisateurs plus grandes (écrans)
Applications multimédia en augmentation
Conclusion: Besoin en haute densité, en performances
accrues, faible consommation, portabilité.
Contraintes des systèmes temps réel
„ Densité: Nombre de cellules par surface élémentaire
„ Mise à jour: La mémoire doit pouvoir être mise à jour si
„
„
„
„
nécessaire
Performance: Vitesse mémoire suffisante pour les temps
de réponse des RTOS
Taille: Circuits plus petits avec des capacités de stockage
plus grandes
Portabilité: Faible consommation, taille réduite
Coût: Moins élevés pour la conception et la fabrication
Lower
L’arbre généalogique
Source: http://www.ewh.ieee.org/r9/wpr/computer/Activities2002/memory.htm
RAM
„ RAM - Random Access Memory
„ Accès dans n’importe quel ordre
„ Possibilités d’écriture/lecture
„ Volatile
ROM
„ ROM – Read Only Memory
„ Lecture seule
„ Non volatile
„ Sécurité contre les changements accidentels
(malveillants), les virus (pour les vraies ROM)
Applications de base des RAM &
ROM ans les systèmes embarqués
„
ROM: Stocke l’OS, les paramètres nécessaires
pour l’initialisation du système et son
fonctionnement (BIOS)
„
RAM: Information temporaire ou en trée par
l’utilisateur (avec ou sans conservation)
Technologie des RAM
„ SRAM
„ DRAM
„ FRAM
„ NVRAM
„ MRAM- Upcoming technology
Technologie des RAM (suite)
„ SRAM
„
Static Random Access Memory
„
Donnée gardée tant que l’alimentation est
présente
„
Constituée de transistors
Technologie des RAM (suite)
„ DRAM
„
Dynamic Random Access Memory
„
Nécessite une logique de rafraîchissement
„
Perte de données en cas d’absence de
rafraîchissement
„
Un transistor et un condensateur (‘1’ ou ‘0’)
„
Le transistor est utilisé pour la lecture
Technologie des RAM (suite)
„ NVRAM: Non-volatile RAM
„
RAM avec une batterie de sauvegarde qui alimente une SRAM faible
consommation quand l’alimentation du système est coupée, ce qui donne
un fonctionnement comme une ROM (mais reprogrammable)
„ FRAM: Ferroelectric RAM
„
„
„
Nouvelle génération de NVRAM qui combine haute peformances et
fonctionnement basse consommation et possibilité de conserver
l’information sans alimentation
Ne nécessite pas de cycles de rafraîchissement.
La technologie comprend des cristaux ferroélectriques intégrés à un
condensateur.
„ MRAM: Magnetic RAM
„
Méthode de conservation des bits de données en utilisant des charges
magnétiques au lieu des charges électriques.
DRAM et SRAM
„ Permanence
„ DRAM est dynamique – besoin d’un circuit de
rafraîchissement
„ SRAM statique, avec alimentation
„ Complexité: DRAM est plus complexe que la SRAM à
cause des circuits de rafraîchissement
„ Vitesse: DRAM est moins rapide que la SRAM
„ Taille: SRAM prend plus de place à cause du nombre de
transistors
„ Consommation: DRAM consomme plus
„ Coût: SRAM coûte plus cher que la DRAM
Technologie ROM
„ Non-programmable
„ ROM
„ Programmable
„ PROM
„ EPROM
„ EEPROM
„ Flash memory
Technologie ROM (suite)
„ PROM: Programmable ROM
„
Peut être programmée (écriture) une fois par un
programmateur de PROM
„ EPROM: Erasable Programmable ROM
„
„
Effacement par ultraviolets et réécriture par un
programmateur d’EPROM
Une exposition prolongée aux UV détruit le contenu
Technologie ROM (suite)
„ EEPROM: Electrically Erasable PROM
„ Contient une mémoire Flash
„
Effacement logiciel
„
Effacement d’un bit à la fois; pas de nécessité
d’effacement d’un bloc (contrairement à la mémoire
Flash) pour programmer les données
„
Peut être réécrite (“flashed”) sans enlever le circuit
Technologie ROM (suite)
„ Flash memory
„
Type d’EEPROM qui utilise des interconnexions internes
pour appliquer un champ électrique au circuit ou à certaines
parties du circuit (blocs)
„
La taille typique des blocs est de 8Kb à 64 Kb
„
Intel a annoncé des mémoires Flash capable de détruire
uniquement 1 bit
„
De manière générale n’ont pas la possibilité de détruire un
bit seul ( comme les EEPROM ), la densité est plus forte
„
Ecriture en mot ou en octet
Paramètres
Type
Densité
Vitesse
Taille
Coût
Volatile
DRAM
High
Fast
Small
Cheap
Y
SRAM
Low
V. fast
Large
Costly
Y
FRAM
High
Slow
Small
Cheap
N
NVRAM
Low
V. fast
V. Large
Costly
N
ROM
High
V. fast
Small
Cheap
N
PROM
High
V. fast
moderate
Cheap
N
EPROM
V. high
Fast
Small
Cheap
N
EEPROM
Medium
Fast
Moderate
Cheap
N
Flash
V. high
V. fast
Large
Cheap
N
Hiérarchie de la mémoire dans les systèmes
embarqués
Hiérarchie pour les DSP
Source: http://www.chipcenter.com/dsp/col004.html
Pourquoi faire attention à la hiérarchie
mémoire ?
„ L’un des rôles principaux du concepteur de
systèmes embarqués est de faire en sorte que
tout ce qui est nécessaire soit le plus près
possible du CPU (Principe de localité)
„ Cela donne les résultats suivants :
„
„
„
Ramener l’information de la mémoire externe
dans des mémoires rapides comme les câches
Utiliser des techniques telles que l’accès direct
mémoire (DMA)
Utiliser des techniques architecturales
Niveaux de hiérarchie pour la mémoire
„ Mémoire interne (“on-chip”)
„ Les DSP ont de la mémoire “on-chip” (interne)
„ Les instructions comme les données peuvent résider
dans la mémoire interne
„ Le DSP peut utiliser la mémoire interne pour améliorer
significativement les performances
„ Il y a par exemple une 1M-bit Serial EEPROM/Data
FLASH dans le circuit Motorola DSP56852EVM
source: http://e-ww.motorola.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp?code=DSP56852EVM
Niveaux de hiérarchie (suite)
„ Premier niveau
„ Est constitué par les registres du processeur.
„ Contient les variables temporaires et intermédiaires.
„ Le compilateur utilise ces registres pour
l’ordonnancement des instructions.
„ C’est la mémoire la plus rapide et la plus chère
Niveaux de hiérarchie (suite)
„ Deuxième niveau
„ C’est le système de cache mémoire
„ Il est aussi rapide (et cher) mais comparativement
moins cher que le premier niveau
„ Il est utilisé pour mettre les insructions et les données
près du CPU juste avant que les blocs fonctionnels
utilisent les données (principe de localité) pour accès
rapide aux données utilisées fréquemment ou
récemment
„ Le système de cache utilise de la SRAM
Niveaux de hiérarchie (suite)
„ Troisième niveau
„ Le troisième niveau est la mémoire “externe” ou “offchip”
„ Il tend à être moins rapide (et moins cher) que les
autres types de mémoire
„ C’est l’endroit ou généralement sont sauvegardées les
données et instructions non utilisées (stockage à long
terme)
„ L’accès à l’information de cette mémoire nécessite
plus de “handshake” et de contrôle et donc prend plus
de temps
Caractéristiques du Motorola
DSP56852EVM
„ DSP56852 16-bit +1.8V/+3.3V
„ Fréquence de travail de 120MHz
„ Mémoire RAM statique externe rapide (FSRAM), avec
comme configurations:
„ 128K x 16-bit de mémoire avec 1 “wait state” à 120MHz via
CS0
„ 128K x 16-bit de mémoire avec 1 wait state à 120MHz via
CS1/CS2
„ 1M-bit EEPROM/Data FLASH série
Processeur Intel XScale
„ Principales caractéristiques du PXA800F XScale
„ CPU 312-MHz
„ 4MB de flash memory interne
„ 512KB de SRAM.
Hiérarchie mémoire: Paramètres du système
„ En se déplacant dans les niveaux croissants de la
hiérarchie, onconstate:
„
„
„
„
„
„
Densité :
Latence :
Stockage :
Puissance:
Vitesse :
Coût
:
Augmente
Augmente
Augmente
Augmente
Diminue
Diminue
Application des types de mémoire
„ SRAM
„ Systèmes rapides
¾
Mémoires cache
Stations de travail
¾
DSPs
¾
„
Système faible puissance
¾ Systèmes portables
¾ Téléphones cellulaires
Source: Deep-Submicron CMOS IC’, Harry Veendrick, Kluwer Academic Publishers, Second Edition, ISBN:9040001116
Application des types de mémoire
„ DRAM
„ Grandes séries
„ PC
„ Imprimantes
„ PDAs
„ Processeurs mobiles embarqués
Source: Deep-Submicron CMOS IC’, Harry Veendrick, Kluwer Academic Publishers, Second Edition, ISBN:9040001116
Application des types de mémoire
„ FRAM
„ Faible puissance , Remplacement des RAM
non-volatiles et des SRAM haute densité
„ Applications sans fil et DSP
„ EPROM
„ Modem
„ Stckage de code ans les mémoires
embarqués
„ DSPs
„ Téléphones cellulaires
Source: Deep-Submicron CMOS IC’, Harry Veendrick, Kluwer Academic Publishers, Second Edition, ISBN:9040001116
Application des types de mémoire
„ EEPROM
„ Applications mobiles
„ Téléphones cellulaires
„ DSPs
„ “Pagers”
„ Modems
„ Staockage du BIOS
„ Cameras numériques
„ PDAs
Source: Deep-Submicron CMOS IC’, Harry Veendrick, Kluwer Academic Publishers, Second Edition, ISBN:9040001116
Application des types de mémoire
„ Flash
„ Téléphones cellulaires numériques
„ DSPs
„ Mémires embarquées
„ Systèmes portables
„ Systèmes de communication
„ Stockage du BIOS
„ Camears numériques
„ Cartes Flash
„ Lecteur MP3
Source: Deep-Submicron CMOS IC’, Harry Veendrick, Kluwer Academic Publishers, Second Edition, ISBN:9040001116
Application des types de mémoire
„ NVRAM
„ Systèmes ou les pertes de puissance ne sont pas
autorisées et qui requièrent un accès rapide en lecture
et en écriture :
¾
¾
Systèmes médicaux
Aérospatial/ espace
Source: Deep-Submicron CMOS IC’, Harry Veendrick, Kluwer Academic Publishers, Second Edition, ISBN:9040001116
Performances et paramètres
Nbre de
composants
par cellule
Surface
de la
cellule
Surfac
e du
circuit
Temps de
programmation
SRAM
6
4-6
4-4.5
10-100 ns
DRAM
1.5
1.5
1.5
FRAM
1.5
1.5
ROM
1
PROM
Circuit
Temps
d’accès
Temps de rétention
Sans
alimenta
tion
Avec
alimenta
tion
20 – 100 ns
0
∞
30 – 100 ns
30 – 100 ns
0
2 ms
1.5
150 – 200 ns
150 – 200 ns
> 10 years
1
1
-
10 – 100 ns
∞
1.5
4
3
10 – 100 ms
5 – 20 ns
∞
EPROM
2.5
4
4
5 - 10 µs
20 – 150 ns
> 10 years
EEPROM
2.5
4
4
1 – 10 µs per byte
5 – 150 ns
= SRAM
FLASH
1
1.5
1.5
5 - 10 µs
20 – 150 ns
> 10 years
NVRAM
9
8
8
= SRAM or = EPROM
= SRAM
> 10 years
Source: Deep-Submicron CMOS IC’, Harry Veendrick, Kluwer Academic Publishers, Second Edition, ISBN:9040001116
Technologies faisant l’objet de recherches
„ MRAM: Magnetic (magneto-resistive) RAM
„
Méthode de stockage utilisant des charges
magnétiques plutôt que des charges électriques
„
Les chercheurs définissent un métal comme magnétorésistif si il montre des changements lents de
résistance électrique en présence d’un champ
magnétique
Permet de combiner la vitesse des SRAM et la densité
élevée des DRAM
„
Technologies faisant l’objet de recherches
„ Avantages des MRAM
„
Amélioration des produits électroniques par le stockage
d’une plus grande quantité de données.
„
Accès plus rapide alors que la consommation est inférieure
aux mémoires existantes
„
Rétention de l’information en l’absence de source
d’alimentation
Le remplacement des DRAM par les MRAM peut prévenir la
perte de données et permettre aux systèmes de démarrer
instantanément, sans attendre le temps de “boot” du logiciel
„
Technologies faisant l’objet de recherches
„
Future des MRAM: Perspectives industrielles
„
Le laboratoire Motorola indique que sa “mémoire universelle" permet l’intégration de
plusieurs options mémoire dans un seul circuit, avec une consommation plus faible
„
Le circuit est un circuit MRAM alimenté en 3 Volts avec un temps d’accès d’environ 15
ns.
„
IBM, Motorola, Honeywell, Hewlett-Packard, Fujitsu, Toshiba, Hitachi, et Siemens
conduisent des recherches sur les MRAM
„
Les premiers téléphones portables intégrant cette mémoire devraient apparaître
à la fin 2005, certains périphériques d'informatique embarquée ou d'ordinateurs
portables en 2006, et les appareils multimédia comme les lecteurs MP3 ou
encore les appareils photo et/ou vidéo pas avant 2007.
.
Technologies faisant l’objet de recherches
„ L’exemple de Motorola
„ Motorola Inc.'s Semiconductor Products Sector (SPS)
et Motorola Labs ont sorti la première MRAM 1 Mo
(2004)
„
Cette MRAM est basée sur une cellule mémoire à un
seul transistor (1T) et une seule Jonction Tunnel
Magnétique (MTJ), avec temps de cycle
(lecture/écriture) de moins de 50 ns
„
Organisée en 64K x 16, elle est réalisée en
technologie CMOS de 0,6µ et fabriquée sur un
substrat de 200 mm avec des interconnexions en
cuivre
Source: EETimes (www.eetimes.com)
Technologies faisant l’objet de recherches
„ Mémoire moléculaire
„ Mémoire à changement de phase
„ Nano-Mémoire à grille flottante
„ Mémoire à simple/(quelques) électrons