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如何选择最适用的SRAM存储器

2019-09-20 11:42:11

SRAM(静态随机存取存储器)是一种只要在供电条件下便能够存储数据的存储器件,而且是大多数高性能系统的一个关键部分。SRAM具有众多的架构,各针对一种特定的应用。本文旨在对目前市面上现有的SRAM做全面评述,并简要说明就某些特定用途而言,哪类SRAM是其最佳选择。 SRAM从高层次上可以划分为两个大类:即同步型和异步型。同步型SRAM采用一个输入时钟来启动至存储器的所有事务处理(读、写、取消选定等)。而异步型SRAM则并不具备时钟输入,且必须监视输入以获取来自控制器的命令。一旦识别出某条命令,这些器件将立即加以执行。
 
  同步SRAM家族分类
 
  与某一特定应用相适应的最佳SRAM的选择取决于多个因素,其中包括功率限制、带宽要求、密度以及读/写操作模式等。可满足不同系统要求的同步型和异步型SRAM多种多样,本文将逐一加以说明。
 
  各种同步型SRAM比较
 
  同步型SRAM于上个世纪80年代后期首度面市,最初是面向具有极高性能的工作站和服务器中的第二级(L2)高速缓冲存储器应用。进入上个世纪90年代中期之后,它又在较为主流的应用(包括个人电脑中的第二级高速缓冲存储器)中寻觅到了自己的用武之地。自那以后,在包括高性能网络在内的众多应用的设计中,同步型SRAM大行其道(在这些应用中,它们通常被用于数据缓冲器、高速暂存器、队列管理功能和统计缓冲器)。
 
  同步型SRAM又可以采用多种不同的架构。下文将对某些“主流”的器件做简要说明。
 
  1:标准同步型SRAM
 
  标准同步型SRAM是被“主流应用”所接纳的第一种同步型SRAM。这些器件虽然主要面向PC L2高速缓冲存储器应用,但也渗透到了非PC应用领域中,比如网络、电信、数字信号处理(DSP)以及医疗和测试设备。其中,标准同步型SRAM具有两种基本格式:流水线型和直通型。两者之间的差异是:直通型SRAM仅在输入端上具有寄存器,当地址和控制输入被捕获且一个读存取操作被启动时,数据将被允许 “直接流”至输出端。当用户对初始延迟的重要性考虑超过对持续带宽的考究时,人们往往优先采用直通型架构。“流水线型”同步SRAM同时拥有一个输入寄存器和一个输出寄存器。流水线型SRAM所提供的工作频率和带宽通常高于直通型SRAM。因此,在需求较高宽带,而对初始延迟不是很敏感时,人们常常优先采用流水线型SRAM。
 
  2:NoBLTM(无总线延迟)型SRAM
 
  有些应用不允许“等待状态”。比如网络应用中“等待状态”有可能对性能产生严重的影响。为解决该问题,赛普拉斯公司推出了无总线延迟(NoBL)型SRAM。NoBL型SRAM与标准同步型SRAM很相似,但是拥有附加的片上逻辑电路,旨在完全消除标准同步型SRAM系列所需的“等待状态”。通过消除这些“等待状态”,此类SRAM能够实现100[%]的总线利用率(丝毫不受读/写模式的影响)。该功能极大地改善了存储器性能,尤其是当存在频繁的读/写操作变换时。
 
  NoBL型SRAM也存在两种版本:直通型和流水线型。直通型NoBL SRAM始终具有一个单周期偏移,而NoBL流水线型SRAM则保持了一个双周期偏移。
 
  3:四倍数据速率(QDRTM)型SRAM
 
  尽管推出了NoBL型架构并使性能较之标准同步型SRAM有所改善,但某些系统对性能有着更高的要求。于是,赛普拉斯、Renesas、IDT、NEC和三星等几家公司联合开发出了QDR型SRAM。QDR架构旨在满足那些要求低延迟且所需带宽明显高于NoBL型架构提供能力的“高带宽需求型”系统的需要。 QDR型SRAM与NoBL型SRAM最为显着的差异之一是前者的读端口和写端口是分开的。这些端口可独立工作,并支持并行的读和写事务处理。QDR型 SRAM能够以DDR传输速率(2倍)来支持两项同时出现的事务处理,四倍数据速率(QDR)的名称便是由此得来的。
 
  QDR型SRAM具有两种基本类型:即2字脉冲串和4字脉冲串。这两种类型之间的差异在于每项事务处理过程中所支持的脉冲串长度。
 
  4:QDR-II型SRAM
 
  QDR- II型SRAM与QDR型SRAM相似,但在性能方面进一步提升。与相同频率的QDR型器件相比,QDR-II型SRAM所产生的总数据有效窗口面积大了 35[%]左右。另外,QDR-II型SRAM产品还比QDR型器件多了一个半延迟周期。这增加的半个时钟周期可在对初始延迟影响极小的情况下提供高得多的频率和带宽。
 
  5:DDR型SRAM
 
  如果QDR型SRAM面向的是具有平衡读/写模式的应用,DDR型SRAM架构则主要针对那些需要进行数据流式传输(例如,后随多项写操作的多项读操作)、且所需带宽远远高于标准同步型器件或NoBL型器件的应用。DDR型SRAM具有出众的整体总线利用率以及高得多的总带宽,性能也因此得到了最大限度的提升。
 
  和QDR型SRAM一样,DDR型SRAM也有两种格式:即2字脉冲串和4字脉冲串。究竟选择哪一种取决于所需的数据颗粒度以及存储器的数据总线宽度。
 
  各种异步型SRAM比较
 
  第二大类SRAM为异步型SRAM。那些不具备时钟输入的SRAM便是异步型的。在这些器件中,读操作和写操作将在器件接收到指令之后立即被启动。
 
  采用异步型SRAM最大的优点之一是它们拥有长达几十年的使用历史并已为人们所充分了解。由于异步型SRAM已经面市很久了,因此许多标准处理器都包含了业已配备异步型SRAM接口的存储控制器,从而最大限度地减少了所需的设计工作量。异步型SRAM的典型存取时间为8ns(或更长)。因此,它们一般应用于时钟频率为100MHz(或更低)的系统中。异步型SRAM可被进一步划分为两种主要类别:即快速异步型SRAM和低功耗异步型 SRAM(MoBLTM)。
 
  1:快速异步型SRAM
 
  存取时间为35ns(或更短)的异步型SRAM可被归类为“快速”异步型SRAM。这些存储器通常应用于老式系统中,且功耗较高(1/2W或更高是司空见惯的)。其典型应用包括老式PC L2高速缓冲存储器、高速暂存器以及工业应用中的缓冲存储器。
 
  2:MoBLTM低功耗异步型SRAM
 
  有些应用(例如移动电话)对功耗的关注程度要超过对性能的关注程度。因此,制造商(比如赛普拉斯公司)推出了功耗极低的SRAM系列。赛普拉斯的 MoBL(意指“更长的电池使用寿命”)低功耗异步型SRAM产品库汇集了多款典型存取时间约为40ns(或更长)并专为实现低功耗而优化的器件。典型待机功耗可低至10μW(或更低),而运行功耗则可低至30mW(或更低)。这些器件的存储密度各异,从64Kb到16Mb一应俱全。
 
  伪SRAM(亦即PSRAM)
 
  如果需要16Mb以上的存储密度,则PSRAM(或称伪PSRAM)是一种可行的解决方案。所谓伪SRAM是指一种具有一个DRAM存储器内核和一个 “SRAM型”接口的存储器件。由于PSRAM使用了一个DRAM内核,因而也需要进行周期性的刷新,以便保存数据。但不同的是,标准DRAM的刷新控制是在器件外部进行的,而PSRAM则具有一个“隐式”刷新电路,这使得它们能够被容易地用作其他异步型SRAM的存储密度升级型器件。
 
  结论
 
  在选择SRAM时,您会面对众多的选择方案。在某些场合,选择是有限的。许多已经确立了自己稳固地位的处理器都包含了支持特殊SRAM架构的存储控制器。新型处理器的设计则更灵活。为了决定最佳的可选方案,至关重要的是确定存储器子系统(即兆比特每秒、初始延迟、运行功耗、待机功耗、成本等等)的优先级以及系统的工作特性(读/写操作模式、工作频率等等)。

  网络应用往往具有接近50/50的读/写模式,它适合于采用QDR系列的解决方案。其他应用(甚至是同一个系统内的功能电路)则往往具有不平衡的读/写模式,这就适合于采用公共I/O架构,包括标准同步型、NoBL型和DDR型。
 
本文关键词: SRAM

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