system memory之Asynchronous and Synchronous DRAM

本文探讨了异步DRAM和同步DRAM的区别。异步DRAM不与系统时钟同步,在低速内存总线系统中表现良好;而同步DRAM则与系统时钟同步,适用于高速内存系统,能显著提升系统性能。

Asynchronous and Synchronous DRAM

Conventional DRAM, of the type that has been used in PCs since the original IBM PC days, is said to be asynchronous. This refers to the fact that the memory is not synchronized to the system clock. A memory access is begun, and a certain period of time later the memory value appears on the bus. The signals are not coordinated with the system clock at all, as described in the section discussing memory access. Asynchronous memory works fine in lower-speed memory bus systems but is not nearly as suitable for use in high-speed (>66 MHz) memory systems.

A newer type of DRAM, called "synchronous DRAM" or "SDRAM", is synchronized to the system clock; all signals are tied to the clock so timing is much tighter and better controlled. This type of memory is much faster than asynchronous DRAM and can be used to improve the performance of the system. It is more suitable to the higher-speed memory systems of the newest PCs.

Note that there are several different flavors of both asynchronous DRAM and synchronous DRAM; they are discussed on the page covering DRAM technologies.

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在数字电路设计中,混合使用同步和异步控制逻辑是一种常见的需求,尤其在需要对寄存器进行精确时序控制的场景中。这种混合控制通常用于实现复位(reset)、预置(preset)或加载(load)功能,并结合使能信号(enable)来决定何时执行操作。 ### 同步与异步控制的区别 - **同步控制**:所有操作都由时钟边沿触发,确保所有状态变化发生在同一时刻,有助于避免竞争和冒险问题。 - **异步控制**:某些操作可以在任何时间发生,例如异步复位可以在时钟边沿之外立即生效,这在系统启动或紧急恢复时非常有用。 ### 混合控制的设计方法 #### 1. 异步复位 + 同步操作 一个典型的例子是带异步复位的寄存器,在复位信号有效时立即清零,而在正常操作中由时钟边沿触发数据更新。这种设计可以提高系统的响应速度,同时保持主逻辑的同步性。 ```verilog module top_module ( input clk, input areset, // active high asynchronous reset input [7:0] d, output reg [7:0] q ); always @(posedge clk, posedge areset) begin if (areset) q <= 8'b0; // Asynchronous reset else q <= d; // Synchronous data update end endmodule ``` 该代码展示了如何在一个 always 块中同时处理异步复位和同步数据写入[^1]。 #### 2. 同步复位 + 异步预置 有时需要在特定条件下将寄存器预置为某个非零值,而不是清零。此时可以使用同步复位逻辑,并在复位过程中设置初始值。如果需要更快速的预置机制,则可以引入异步预置信号。 ```verilog module preset_register ( input clk, input preset, // active high asynchronous preset input [7:0] preset_value, input [7:0] d, output reg [7:0] q ); always @(posedge clk, posedge preset) begin if (preset) q <= preset_value; // Asynchronous preset else q <= d; // Synchronous data update end endmodule ``` 此模块允许通过异步信号 `preset` 将寄存器设为任意值,而其他情况下则按同步方式更新数据。 #### 3. 多控制信号优先级管理 当多个控制信号共存时(如复位、预置、加载、使能),必须定义它们之间的优先级关系。例如,在异步复位和同步加载之间,复位应具有更高优先级;而在同步加载和使能之间,加载可能具有更高优先级。 ```verilog module control_mux ( input clk, input areset, input load, input ena, input [7:0] data_in, output reg [7:0] q ); always @(posedge clk, posedge areset) begin if (areset) q <= 8'h00; else if (load) q <= data_in; else if (ena) q <= {q[6:0], 1'b0}; // right shift end endmodule ``` 上述代码实现了异步复位、同步加载和右移操作的组合控制,其中复位优先于加载,加载优先于移位操作[^3]。 --- ### 软件中的类比实现 在软件层面,虽然没有直接的“时钟”概念,但可以通过事件驱动模型模拟同步/异步行为。例如: - 使用定时器(timer)模拟时钟边沿; - 使用中断或回调函数实现异步操作; - 使用状态机结构来管理不同控制信号的优先级。 ```python class Register: def __init__(self): self.value = 0x00 self.reset_active = False self.load_active = False self.data_in = 0x00 def clock_edge(self): if self.reset_active: self.value = 0x00 elif self.load_active: self.value = self.data_in else: # default behavior: shift right self.value = (self.value >> 1) & 0x7F def async_reset(self, active): self.reset_active = active def sync_load(self, active, data): self.load_active = active self.data_in = data ``` 这段 Python 代码模拟了一个具有异步复位和同步加载功能的寄存器行为。 --- ###
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