CN107515729A - 一种sram位元与非易失性存储位元组成的复合阵列模块及工作方法 - Google Patents
一种sram位元与非易失性存储位元组成的复合阵列模块及工作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种SRAM位元与非易失性存储位元组成的复合阵列模块及工作方法,主要包括逻辑控制模块、地址解析模块、读写驱动感应电路、数据搬移模块、SRAM阵列、NVM阵列;该模块具备更高的芯片集成度,降低了成本,也降低了数据搬移延时和功耗;该复合模块可随时根据主机端需要进入休眠状态:将数据从SRAM阵列搬移至非易失存储阵列(以下简称“NVM阵列”)存储,并关闭SRAM阵列和NVM阵列,将复合模块静态能耗降至最低;当这些数据需要重新取用时,可快速唤醒复合模块,打开SRAM阵列和NVM阵列进行数据搬移,并从SRAM阵列中读出数据供主机端处理,从而不会影响系统运行速度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体存储技术领域,尤其涉及一种SRAM位元与非易失性存储位元组成的复合阵列模块及工作方法。
背景技术
在物联网领域和穿戴式设备等许多应用场景中,对集成电路的功耗要求非常严格,以满足长距离微波供电或者长期难以更换电池等应用需求。因此,在集成电路设计时,除了采用更小的半导体工艺节点以降低逻辑电路的功耗外,还需要综合考虑存储器(包括运行内存和程序存储器)的读写功耗,在存储器的动态运行功耗和静态待机功耗之间做出合理优化,以降低整体能耗。这个优化的过程同时需要考虑到应用的动态/静态运行时间比,以及不同功耗模式之间转换所需的时间,以不影响系统整体性能。
目前主流的半导体存储器解决方案,普遍采用静态随机存储器(SRAM)作为系统运行内存,采用闪存存储器(FLASH memory)作为程序存储器。在系统处于运行状态时,程序和数据都存在SRAM中,逻辑处理单元与SRAM直接交互,而由于SRAM属于易失性存储器,掉电则数据丢失,因此系统无论处于运行状态,还是待机状态,SRAM存储器都处于上电工作状态,以保证数据不丢失,只有当系统确认关闭之前,才会将SRAM中的所有必要数据写回FLASH中稳定存储。因此,SRAM的动态功耗和静态功耗成为了系统运行状态时,存储器的主要能耗来源。
由于SRAM的静态功耗较大,德州仪器曾提出的方案(S.Khanna et al,Solid-State Circuits Conference(ISSCC),2013)以降低系统静态功耗:该方法利用铁电(FRAM)存储器与SRAM存储器组合,当系统处于空闲状态时,系统的逻辑处理单元负责将SRAM中的数据整体搬移到FRAM存储器中,利用FRAM的非易失性存储数据,搬移完成后关闭SRAM存储器和FRAM存储器以将系统静态功耗降到最低。但该方法的缺点是:需要占用系统本身的逻辑处理单元负责数据搬移,对系统运行产生中断性影响,而且FRAM存储器和SRAM存储器相互独立,均有各自的接口和读写驱动电路,从而导致该复合存储芯片面积过大,数据来回搬移的延时和功耗大。
发明内容
本发明为克服上述的不足之处,目的在于提供一种SRAM位元与非易失性存储位元组成的复合阵列模块,主要包括逻辑控制模块、地址解析模块、读写驱动感应电路、数据搬移模块、SRAM阵列、NVM阵列;该模块具备更高的芯片集成度,降低了成本,也降低了数据搬移延时和功耗。
本发明另一目的在于提供一种SRAM位元与非易失性存储位元组成的复合阵列模块的工作方法,该复合模块可随时根据主机端需要进入休眠状态:将数据从SRAM阵列搬移至非易失存储阵列(以下简称“NVM阵列”)存储,并关闭SRAM阵列和NVM阵列,将复合模块静态能耗降至最低;当这些数据需要重新取用时,可快速唤醒复合模块,打开SRAM阵列和NVM阵列进行数据搬移,并从SRAM阵列中读出数据供主机端处理,从而不会影响系统运行速度。
本发明是通过以下技术方案达到上述目的:一种SRAM位元与非易失性存储位元组成的复合阵列模块,其特征在于包括:逻辑控制模块、地址解析模块、读写驱动感应电路、数据搬移模块、SRAM阵列、NVM阵列;逻辑控制模块分别与地址解析模块、读写驱动感应电路、数据搬移模块连接;地址解析模块分别与SRAM阵列、NVM阵列相连;读写驱动感应电路分别与SRAM阵列、NVM阵列相连;数据搬移模块分别与地址解析模块、读写驱动感应电路连接。
作为优选,所述的地址解析模块在逻辑控制模块的控制下,解析外部主机端送来的地址并根据该地址打开SRAM阵列和NVM阵列中的物理存储单元,使SRAM阵列和NVM阵列进入可被读写的状态。
作为优选,所述的读写驱动感应电路驱动SRAM阵列与NVM阵列的读和写;具备写驱动、读感应放大和数据纠错功能。
作为优选,所述数据搬移模块在逻辑控制模块的调度下,完成数据在SRAM阵列与NVM阵列之间的搬移工作。
作为优选,所述SRAM阵列、NVM阵列用于存储运行数据,二者共用地址解析模块与读写驱动感应电路。
作为优选,所述SRAM阵列与NVM阵列的容量可相同或者NVM阵列的容量大于SRAM阵列的容量。
作为优选,所述的NVM阵列为STT-MRAM、FRAM、PCRAM、RRAM中的任意一种。
一种SRAM位元与非易失性存储位元组成的复合阵列模块的工作方法,包括正常读写流程、休眠流程和唤醒流程;其中,正常读写流程在执行过程中不可被打断,休眠流程和唤醒流程在执行过程中可随时被中断指令终止。
作为优选,复合阵列模块可随时根据主机端需求进入休眠流程,并将数据从SRAM阵列搬移至NVM阵列存储,关闭SRAM阵列和NVM阵列;当需要进入正常读写流程时,复合阵列模块可通过唤醒流程快速唤醒,并打开SRAM阵列和NVM阵列进行数据搬移,从SRAM阵列中读出数据。
本发明的有益效果在于:1)本发明可有效解决系统静态待机能耗较大的问题,并且不会对系统运行速度产生中断性影响,保证了系统运行性能;2)相比传统的解决方案具备更高的芯片集成度,降低了成本,数据搬移延时和功耗。
附图说明
图1是本发明的基本结构示意图;
图2是本发明工作时的正常读写流程示意图;
图3是本发明工作时的休眠流程示意图;
图4是本发明工作时的唤醒流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述,但本发明的保护范围并不仅限于此:
实施例:如图1所示,一种SRAM位元与非易失性存储位元组成的复合阵列模块包含逻辑控制模块1(以下简称“控制模块1”),地址解析模块2,读写驱动感应电路3(以下简称“读写模块3”),数据搬移模块(Data Transfer Ctroller,DTC)4,SRAM阵列5和非易失性存储阵列(以下简称“NVM阵列”)6。
控制模块1的功能是控制复合模块内部所有模块的功能与时序,具体包括解析所有从主机端(HOST)送来的控制命令(Command Code),数据缓存(Data Buffering),控制地址解析模块2和读写模块3正常工作,将主机端送来的数据正确写入SRAM阵列5和非易失存储器模块6,或者将数据从这两个存储器模块中正确读出。
地址解析模块2负责在控制模块1的控制下,解析主机端送来的地址,并根据该物理地址打开SRAM阵列5和NVM阵列6中相应的物理存储单元,使其进入可被读写的状态。
读写模块3负责驱动SRAM阵列5与NVM阵列6的读和写:将控制模块1送来的数据正确写入存储阵列,或者将数据从存储阵列中读出并送给控制模块1,具体包括写驱动(WriteDriving),读感应放大(Sense Amplifier)和数据纠错(ECC)。
数据搬移模块4负责在控制模块11的调度下,完成数据在SRAM阵列5与NVM阵列6之间的搬移工作。数据在SRAM阵列和NVM阵列之间的搬移行为全部由模块内部搬移控制电路完成,不影响系统逻辑处理单元的工作,从而不会影响因数据搬移而产生的系统运行性能降低。
SRAM阵列5和NVM阵列6都是存储阵列,负责存储运行数据和程序,NVM阵列可以是STT-MRAM(Spin-Transfer-Torque Magnetic Random Access Memory),FRAM(Ferroelectric Random Access Memory),也可以是PCRAM(Phase Change Random AccessMemory)或者RRAM(Resistance Random Access Memory)。NVM阵列的容量与SRAM阵列一样,两个阵列的编址方式也完全相同,并共用地址解析模块2负责地址解析;两个存储阵列共用读写模块3,进行数据读写和纠错;另外,由于本发明中的SRAM阵列和NVM阵列共用地址解析电路以及读写驱动电路,因此比德州仪器曾提出的方案(S.Khanna et al,Solid-StateCircuits Conference(ISSCC),2013)具有更小的芯片面积,增加了芯片集成度,降低了成本,数据搬移延时和功耗。
一种SRAM位元与非易失性存储位元组成的复合阵列模块的工作方法,该复合模块可随时根据主机端需要进入休眠状态:将数据从SRAM阵列搬移至非易失存储阵列(以下简称“NVM阵列”)存储,并关闭SRAM阵列和NVM阵列,将复合模块静态能耗降至最低;当这些数据需要重新取用时,可快速唤醒复合模块,打开SRAM阵列和NVM阵列进行数据搬移,并从SRAM阵列中读出数据供主机端处理,从而不会影响系统运行速度。
复合模块中的控制模块1会根据接收到的主机控制指令进入不同的工作流程:“正常读写流程”,“休眠流程”和“唤醒流程”。“正常读写流程”在执行过程中不可被打断,“休眠流程”和“唤醒流程”在执行过程中可以随时被相应的中断指令终止。“正常读写流程”如图2所示:
1)控制模块1接收从主机端发送过来的控制指令,并将指令存在自身的缓存区中;
2)控制模块1解析控制指令,如果指令被解析为“休眠指令”,则跳往“休眠流程”,若不是“休眠指令”,则前往步骤(3);
3)解析指令是否为“写指令”,若是,则前往步骤(4),若不是,则跳往步骤(7)
4)控制模块1打开自身数据缓存区,负责接收主机端(HOST)发送过来的写入数据,同时驱动地址解析模块2打开,负责接收主机端发送过来的数据的地址并解析,然后根据地址解析结果,打开SRAM阵列15中相应的物理存储单元,进入读写状态;
5)控制模块1根据解析出来的写模式要求打开读写模块3,由读写模块3完成缓存区内所需写入的数据的ECC编码工作,并将编码后的数据写入SRAM阵列5相应的物理存储单元中;
6)控制模块1向主机端返回“写入成功”信号,跳往步骤(11);
7)控制模块1解析指令是否为“读指令”,若是,则前往步骤(8),若不是,则向主机端报错;
8)控制模块1驱动地址解析模块2打开,负责接收主机端发送过来的数据的地址并解析,然后根据地址解析结果,打开SRAM阵列5中相应的物理存储单元,进入读写状态;
9)控制模块1根据解析出来的读模式打开读写模块3,驱动SRAM阵列5中的所需的数据读出,经过译码纠错后,送入控制模块1的缓存区,供主机端读取;
10)控制模块1向主机端返回读出成功的信号,请求主机取走缓存区中的数据,如果主机取走缓存区中的数据,则前往步骤(11),否则,停留在步骤(10)等待;
11)“正常读写流程”结束,并跳回步骤(1)。
为了降低静态待机功耗,主机端可发送“休眠指令”给复合模块,将复合模块切换到休眠状态。“休眠流程”的工作流程如图3所示:
1)控制模块1接收到主机端送过来的控制指令,并将指令缓存在自身的缓存区中;
2)控制模块1解析控制指令,如果指令被解析为“读写指令”,则根据指令类型跳往“正常读写流程”,正常读写流程如图2所示,若不是,则前往步骤(3);
3)控制模块1解析指令是否为“唤醒指令”,则跳往“唤醒流程”,否则,前往步骤(4);
4)控制模块1解析控制指令是否为“休眠指令”,若是,则前往步骤(5),若不是,则向主机端报错;
5)控制模块1将“休眠指令”发送给数据搬移模块4,由数据搬移模块4完成数据搬移,控制模块1则负责继续接收主机端的控制指令,若接到指令并解析为“中断休眠指令”,则跳往步骤(9),若不是,则前往步骤(6);
6)数据搬移模块4负责驱动地址解析模块2和读写模块3全部打开,在4的控制下,将SRAM阵列5中的全部数据按地址顺序读出,经过读写模块3纠错之后,存入NVM阵列6中的对应地址,即保证数据在SRAM阵列和NVM阵列中的地址完全一样;
7)SRAM阵列5中所有数据都完成搬移之后,数据搬移模块4向控制模块1返回“数据搬移完成”信号,并关闭SRAM阵列5和NVM阵列6的电源,复合模块的静态能耗降至最低;
8)控制模块1向主机端返回“休眠完成”信号,跳往步骤(12);
9)控制模块1向数据搬移模块4发出“中断搬移数据”信号;
10)数据搬移模块4负责关闭地址解析模块2和读写模块3,并关闭NVM阵列6的电源,然后向控制模块1返回“数据搬移中断完成”信号;
11)控制模块1向主机端返回“休眠中断完成”信号;
12)“休眠流程”完成。
主机端可通过“唤醒指令”将复合模块从休眠状态中唤醒,让其重新进入工作状态,该流程如图4所示:
1)控制模块1接收到主机端送过来的控制指令,并将指令缓存在自身的缓存区中;
2)如果控制指令解析为“唤醒指令”,则前往步骤(3),若不是,则向主机端报错;
3)控制模块1将该指令发送给数据搬移模块4,由数据搬移模块4完成唤醒流程,控制模块1则负责继续接收主机端的控制指令,若接到指令并解析为“中断唤醒指令”,则跳往步骤(8),若不是,则前往步骤(4);
4)数据搬移模块4驱动SRAM阵列5和NVM阵列6电源打开,进入工作状态;
数据搬移模块4驱动地址解析模块2和读写模块3工作,将NVM阵列6中的全部数据按顺序读出,纠错之后存入SRAM阵列中的对应地址,即保证数据在NVM和SRAM中的地址完全一样。
以上的所述乃是本发明的具体实施例及所运用的技术原理,若依本发明的构想所作的改变,其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时,仍应属本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种SRAM位元与非易失性存储位元组成的复合阵列模块,其特征在于包括:逻辑控制模块(1)、地址解析模块(2)、读写驱动感应电路(3)、数据搬移模块(4)、SRAM阵列(5)、NVM阵列(6);逻辑控制模块(1)分别与地址解析模块(2)、读写驱动感应电路(3)、数据搬移模块(4)连接;地址解析模块(2)分别与SRAM阵列(5)、NVM阵列(6)相连;读写驱动感应电路(3)分别与SRAM阵列(5)、NVM阵列(6)相连;数据搬移模块(4)分别与地址解析模块(2)、读写驱动感应电路(3)连接。
2.根据权利要求1所述的一种SRAM位元与非易失性存储位元组成的复合阵列模块,其特征在于:所述的地址解析模块(2)在逻辑控制模块(1)的控制下,解析外部主机端送来的地址并根据该地址打开SRAM阵列(5)和NVM阵列(6)中的物理存储单元,使SRAM阵列(5)和NVM阵列(6)进入可被读写的状态。
3.根据权利要求1所述的一种SRAM位元与非易失性存储位元组成的复合阵列模块,其特征在于:所述的读写驱动感应电路(3)驱动SRAM阵列(5)与NVM阵列(6)的读和写;具备写驱动、读感应放大和数据纠错功能。
4.根据权利要求1所述的一种SRAM位元与非易失性存储位元组成的复合阵列模块,其特征在于:所述数据搬移模块(4)在逻辑控制模块(1)的调度下,完成数据在SRAM阵列(5)与NVM阵列(6)之间的搬移工作。
5.根据权利要求1所述的一种SRAM位元与非易失性存储位元组成的复合阵列模块,其特征在于:所述SRAM阵列(5)、NVM阵列(6)用于存储运行数据,二者共用地址解析模块(2)与读写驱动感应电路(3)。
6.根据权利要求5所述的一种SRAM位元与非易失性存储位元组成的复合阵列模块,其特征在于:所述SRAM阵列(5)与NVM阵列(6)的容量可相同或者NVM阵列(6)的容量大于SRAM阵列(5)的容量。
7.根据权利要求1所述的一种SRAM位元与非易失性存储位元组成的复合阵列模块,其特征在于:所述的NVM阵列(6)为STT-MRAM、FRAM、PCRAM、RRAM中的任意一种。
8.一种SRAM位元与非易失性存储位元组成的复合阵列模块的工作方法,其特征在于,包括正常读写流程、休眠流程和唤醒流程;其中,正常读写流程在执行过程中不可被打断,休眠流程和唤醒流程在执行过程中可随时被中断指令终止。
9.根据权利要求8所述的一种SRAM位元与非易失性存储位元组成的复合阵列模块的工作方法,其特征在于,复合阵列模块可随时根据主机端需求进入休眠流程,并将数据从SRAM阵列搬移至NVM阵列存储,关闭SRAM阵列和NVM阵列;当需要进入正常读写流程时,复合阵列模块可通过唤醒流程快速唤醒,并打开SRAM阵列和NVM阵列进行数据搬移,从SRAM阵列中读出数据。
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