Beágyazott elektronikus rendszerek P-ITEEA_0033
Elektronikai komponensek, memóriák, optikák 10. előadás 2015. Április 29.
Beágyazott eszközök tápellátása: Források • Hálózat – Korlátlan energia, csak a villanyszámla, a hűtés, és a zöld mozgalmak szabnak határt
• Elem, akkumulátor, kapacitás, üzemanyagcella, lendkerék – Kritikus az energia fogyasztás! – Alacsony fogyasztású komponensek alkalmazása – Power management
Benzin: 12.800Wh/kg Otto motor: 20%
• Újratöltés – Hálózatról (mobil eszköz) – Megújuló forrásból: • Napelem (1W/dm2 ) • Szélkerék • Mechanikus mozgás (mW/cm3)
2
Tölthető és nem tölthető elemek • 1 vagy több cella sorba kötve (n cella) • Feszültség: – n*1,5V (nem tölthető) – n*1,2V (tölthető)
• Tárolt energia: E=V*I*t • Feltöltés: néhány órás folyamat Type
Zinc-carbon
Alkaline
Li-FeS2
NiCd
IEC name
R6
LR6
FR6
KR6
Capacity
NiMH (metal hidrid)
HR6
~1000 mAh ~2000 mAh ~3000mAh ~800 mAh ~2500mAh
Voltage
1.5 V
1.5 V
1.5 V
1.2 V
1.2 V
Energy
1.5Wh
3Wh
4.5Wh
1Wh
3Wh
Rechargeable
9V=4 db AAAA (7.2V tölthető)
No
No
No
Yes
Yes
3
Li-ion/Li-Po akkumulátorok (Po: polimer) • Ezek ma a nagyteljesítményű akkumulátorok – – – – –
Mobiltelefonok Fényképezőgépek Laptopok, tabletek Modell repülők Elektromos autók (Nem a benzines autók akkumulátora! Az ólom alapú.)
• 1 cella: 3,7V • Energia tartalma 5x nagyobb mint az alkali elemnek vagy a NIMH-nak • Sorosan és párhuzamosan kötött cellák: – 2P3S jelölés:
• 6 cella, • 11,1V
• • • • •
3,7V -
+
3,7V
3,7V
3,7V -
+
3,7V
Nagyon nagy teljesítményt (áramot) tud leadni Nem szabad 3V alá meríteni, mert tönkremegy Cellánként töltve meghosszabbodik az élete Tetszőleges formák méretek Sérülés esetén tűz veszélyes
-
+
3,7V
4
Üzemidő • 1 ceruza elem (AA): 2Wh energia • Éves – Távkapcsolók, hőmérők, órák, termosztátok, asztali telefon – ~100mW-os fogyasztás
• Hetes – Mobiltelefon, fényképezőgép ~10mW-os fogyasztás
• Napos – Okostelefon, tablet – ~100mW-os fogyasztás
• Pár órás – Gyerekjátékok – W-os fogyasztás
• A játékokon kívül mindent erősen optimalizálnak a használat 5 alapú fogyasztásra
Memória architektúrák • Véletlen elérésű memóriák (Random Access Memory, RAM) – Single port (1 db kétirányú adat busz) – Two port (2 db egyirányú adat busz) – Dual port (2 db kétirányú adat busz)
• FIFO (First in first out) • LIFO (Last in first out) veremtár (stack) • Latch (egyetlen adatot tároló egység) – Egyirányú – Kétirányú 6
Memóriák típusai • Statikus memóriák – SRAM
• Dinamikus memóriák – DRAM – SDRAM – DDR SDRAM
• Nem felejtő memóriák (Non-volatile) – ROM – EPROM – Flash 7
Memóriák egyéb paraméterei • Méret • Sebesség • Memória szervezés – Szószélesség – Címbitek száma – Protokolok
• Önellenőrzés, önjavítás – Redundancia, paritás bitek
• Fogyasztás • Hőmérsékleti tartomány • stb. 8
Mai memóriák őse: ferrit gyűrű • • • • •
1949-ben készült az első 1950-74 ez volt a domináns memória Nem felejt a táp kikapcsolása után Nem árt neki a sugárzás Néhány speciális alkalmazásban még hosszan használták (űrtechnika)
64 bites modulok
16kbyte-os memória egység 9
Ferrit gyűrűs memória felépítése (0.5 mm-es gyűrűk)
Statikus memóriák • 70-es években jelennek meg (16-256 bit) • Amíg táp van, addig tartják az információt (nincs szükség frissítésre) • Mai méretük: 16-40 Mbit – Egy bit 8-szor nagyobb mint egy DRAM bit
• Sebesség: – 8-12ns (aszinkron) – 2-5ns (szinkron) – 10x gyorsabb mint a DRAM
• • • •
Fogyasztásuk a sebesség függvénye $/bit: 10-szerese a DRAM-nak Egy cella: 3-6 tranzisztor Cache memóriának használják
10
Statikus memóriák felépítése • Teljes cím egyszerre történő megadása • Itt az adat ténylegesen megjelenik 2-5ns alatt
SRAM elrendezés
SRAM bit: 11 két szembefordított inverter
Dinamikus memória • Történelem: első DRAM chip az Inteltől (1970) – 1 kbit – Ez kezdte meg a ferrit memória kiszorítását
• • • •
Mai technológiában 1 cella 1 tranzisztor Méret: 8Gbit-ig 8ms-ként frissíteni kell (1%-a a teljes kihasználtságnak) Tipikusan külső memóriának használják – – – –
Nagy, olcsó, L1 cache-nek lassú L3 cache-nek használják (eDRAM, embedded DRAM, capacitor based)
– Csak blokkosan olvasva gyors!!!
12
Operation (Read) word lines 1. 2. 3. 4. 5.
Precharging all bit lines Select row word line Sense amplifiers decide (data latch) Select data part to read out Write back whole line to memory cells
bit lines
13
CMOS szenzor vs DRAM • CMOS ACTIVE pixel szenzor
• DRAM cella
• Szivárgási áram minimalizálása a tranzisztorokban • A nagy DRAM gyártók készítik a jó CMOS 14 szenzorokat is
Interfacing Memory P C
bus Mem
bus is usually narrower than cache block size (e.g. 32 bytes vs 64)
• Memory connected to cache via a bus
• Board-level wiring: 200-800 MHz 15
Miss Penalty P
C
bus Mem
• Three components to miss penalty Thit
Tmiss
– 1. Wait for bus – 2. Memory latency (wait for first byte) – 3. Transfer time (wait for the rest of the block)
16
Memory Busses • Crude: lock bus for entire transaction – simple: can use the DRAM core interface exactly.
• Better: split-transaction – pass commands and data as separate chunks – requires buffering at end-points, tagging of requests if you permit multiple outstanding requests, etc. time
Bus: Adr.
data
.... (bus unused in the meantime) .... 17
Latency vs. Bandwidth • Two metrics of interest: – Latency: i.e. bulk of Cache Miss Penalty (késleltetés) • Access Time: time between request and first word arrives • Cycle Time: time between requests
– Bandwidth: contributes to transfer time (sávszélesség) • relevant for large cache blocks • relevant for I/O
– bandwidth is easier to improve than latency 18
Memory Organizations • Simple: – CPU, Cache, Bus, Memory same width (32 or 64 or 128bits)
• Wide:
P
P
P
C
mux
C
– CPU/Mux 1 word; Mux/Cache, Bus, Memory N words (Alpha: 256 bits; UtraSPARC 512)
• Interleaved: – CPU, Cache, Bus 1 word: Memory N Modules (4 Modules); example is word interleaved
bus
C mux
M M
simple
wide
M
M
M
interleaved
19
M
P
Performance: Simple
C
Each memory transaction handled separately. M
Example: 1byte cache lines, 1-byte-wide bus and memory. Bus: 100MHz (10ns), memory 80ns
time
Bus:
A 0
DA 0 1
DA 1 2
Total: 10 cycles = 1 + 8 + 1 Latency: 100ns Bandwidth: 1/(10-7)=10MBs
DA 2 3
20
Performance: Wide
P
mux C
Bus, memory is 4-bytes wide!
M Example: 4byte cache lines fetched in one transaction. Bus: 100MHz, memory 80ns
time
Bus:
A 0
D 0
Total: 10 cycles 1 * (1 + 8 + 1) Latency: 100ns Bandwidth: 4/(10-7)=40MBs
works great but is expensive! (256-512 bit wide bus)
21
P
Performance: Interleaved
C
Memory is 1-bytes wide but there are four banks.
bus
mux M
M
M
Example: 4byte cache lines fetched in 4 transactions,
M
overlapped
Bus: 100MHz, memory 80nS Latency: 100ns Bandwidth: 4/(1.3*10-7)=30MBs
time
Bus:
AAAA 0 1 2 3
DDDD 0 1 2 3
(max: 9/(1.8*10-7)=50MBs, ha az összes lyukba teszünk címet)
Total: 13 cycles 1 + 8 + 4 A címek kiadása egyszerűsíthető, ha blokkos az adattranszfer!
22
DDR SDRAM interfaces • DDR, DDR2, DDR3, DDR4 • Double Data Rate: On each IO clock two data are transferred (one at rising one at falling edge of the clock) • Same DRAMs behind with 100, 133, 166, 200, 266 MHz memory clock • IO clock: – – – –
DDR: same as memory clock (up to 200MHz, 400 million words/s) DDR2: 2x memory clock (up to 533MHz, 1066 million words/s) DDR3: 4x memory clock (up to 800MHz, 1600 million words/s) DDR4: introduction in 2014-15
• Interface is speeded up: – Block transfer mechanism, arbitrary sequencing – Physically close to processor – Latency is not improved
23
3D technológiás memória interface
• • • •
Chipek között teremt kapcsolatot Lehetnek különböző technológiájúak Nincs csatlakozó szám korlát Memóriát processzorhoz – széles busz – magas frekvencia (kis kapacitás, rövid jelút hossz) – alacsony fogyasztás
24
Non-volatile memories: Standard MOS versus EPROM Transistors Source terminal
Control gate terminal
Drain terminal
Source terminal
Control gate terminal
Drain terminal
control gate
Silicon dioxide
control gate source
drain
(a) Standard MOS transistor
Silicon substrate
floating gate source
drain
(b) EPROM transistor
• EPROM: Erased by UV radiation • EEPROM: Erased by electrical pulse (a flash) 25
Non-Volatile memories • Flash – Blokkosan irható/törölhető EEPROM – Méret: • Megabytes (boot memória) • Gigabytes (USB flash drive, SD kártya, SSD)
– Hozzáférés • Olvasás: 30ns (page mode (blokkos)), 25ms (random access) • Írás: kb 1000x lassabb
– 100,000-szer átírható – 10 évig tartja az adatot (hogyan érdemes hosszabb távra tárolni?) – Csak egyetlen táp kell hozzá (írás-olvasáshoz) 26
Potential for Errors • Issue in any large storage system (main memory, disk systems, now L2 caches) • DRAM cells are so small, charge can be disturbed by radiation, e.g. cosmic rays
• Solution: redundancy – Parity -- a means to discover single-bit errors – ECC -- Error Correcting Codes 27
Parity
parity bit is XOR of other bits
0
1
0
1
0
1
1
1
1
0
1
0
1
0
1
1
1
1
0 on error, missing bit is XOR of others and parity
28
Error Correcting Codes • Parity only usable for recovery if you know which bit is bad • ECC: add enough redundancy to unambiguously identify the bad bit – log2(n)+1 bits for an n-bit word – e.g. 64-bit DRAM modules store 71 (72) bits.
• Correct all single-bit errors, detect all double-bit errors. 29
Future memory devices:
MEMRISTORS Device
Characteristic property (units)
Differential equation
Resistor
Resistance (V per A, or Ω)
R = dV / dI
Capacitor
Capacitance (C per V, or Farad)
C = dQ / dV
Inductor
Inductance (Wb per A, or Henry)
L = dΦm / dI
Memristor
Memristance (Wb per C, or Ohm) M = dΦm / dQ
• A memristor is a passive two-terminal electronic component for which the resistance depends on some way on the amount of charge that has flowed through the circuit. • Titanium dioxide memristor – The device neither uses magnetic flux as the theoretical memristor suggested, nor stores charge as a capacitor does, but instead achieves a resistance dependent on the history of current.
Órajel generátorok • Kvarcok: 1-80MHz • Kis fogyasztás • Max 10-9 pontosság – 1 másodperc eltérés 30 év alatt
31
PLL-ek • Fázis zárt hurok (phase locked loop, PLL) • Frekvencia szorzásra vagy osztásra képes programozható módon • Jelentősége: – A kvarcok fix jelét programozhatóan változtatja – A kvarcok által nem lefedett frekvenciára konvertálja az órajelet
• Fizikailag egy alkatrész, amely amikor tápot kap beolvassa a lábain a szorzás/osztás értéket, és ezt követően ezt alkalmazza. 32
A fázis zárt hurok működése
33
Reset áramkör • A reset egy meghatározott jelalakot kíván • Mivel ekkor senki sem aktív, külön áramkör kell, ami ezt biztosítani képes
34
Tápok I: lineáris – Zajszegény – Sokat fogyaszt, különösen nagy feszültség különbségeknél (maga disszipálja el a feszültség különbséget) – Csak lefelé konvertál (bemenő feszültség mindig nagyobb, mint a kimenő) – Fix vagy változtatható kimenet – Engedélyezhető – Egyenes vagy visszahajló karakterisztika – Feszültségesés (kis áramoknál 100mV alatt) – Áramkörileg egy szabályozott soros előtét ellenállásnak tekinthető
35
Tápok II: kapcsoló üzemű • Kapcsoló üzemű táp (Switch mode power supply) – – – –
Zajos, néhány száz kHz kapcsolgat Nem disszipálja el a feszültség különbséget 95% feletti hatásfok Felfelé és lefelé is konvertál
PWM IC
Up converter
down converter 36
Referencia feszültség források • Néhány mV pontos feszültséget tart • Kis áramot ad (10mA) • Szenzorok, konverterek, műveleti erősítőkhöz ad stabil feszültséget
37
Optikák • Jellemzők: – Hullámhossz • Látható, NIR, LWIR, UV, THz
– Látószög • Fix, zoom
– Fókusz • Állítható vagy „focus free”
– Fényerő • Fix, szűkíthető
– Méret – Felbontás
38
Leggyakoribb szabványos objektív méretek • C mount CS mount – 25,4mm-es nyílás
– A CS objektív 0,5mm-rel közelebb képezi le a képet. Közgyűrűvel C-mount-ot lehet belőle csinálni. – 1/3, 1/2, 2/3, 1 inch szenzor átmérőhöz – Ezek az ipari kamerák objektívjei
• M12 (S-mount) – 12mm-es nyílás – 1/6, 1/3, 1/2, szenzor átmérő – Ezek az olcsó, kisebb felbontású kamerák objektívjei (pl: kapucsengőnél a biztonsági kamera) – Kisebb fényerő, kisebb felbontás
C mount
39
M12
Látószög •
A látószög a fókusz távolság (f) és a szenzor méretének (h) a függvénye
40
Felbontás • Vonalpár per milliméter
41
