存储器刷新系统的制作方法

专利名称：存储器刷新系统的制作方法
技术领域：
本发明是有关于存储组件刷新(refresh)系统，特别是指一种以刷新控制器(refresh controller)和一状态空闲监视器(idle monitor)以对刷新要求(refresh request)顺位排序，用以改善存储器因刷新的要求对系统要求(system request)所产生的干扰，并使其尽可能降至最低程度。
对于传统动态随机存取存储器(DRAM)组件而言，存储器的内含必须定期的更新以确保已储存的内容得以保存。而这刷新周期(refreshperiod)是依据动态随机存取存储器所设计的组件规格而稍有差异。不过，不管何种规格，由于电荷储存于动态随机存取存储器内随着时间而衰退，因此有必要在每一刷新周期内就将所有的DRAM存储器都再感测(re-sense)其所储存的状态一次并写回(write-back)存储器。因此一可在刷新周期内发出刷新要求以便使所有的存储器都刷新一次的刷新系统电路是必要的。
对传统动态随机存取存储器系统进行刷新操作的例子如图一所示。图一中，刷新电路方块100于每个预设的间隔内就对存储器控制器120产生刷新要求。每一预设的间隔都必须在一刷新周期内完成，以确保动态数据的数据储存节点的内容可以很可靠的保留。
图二示一更先进的传统存储器刷新系统。一刷新要求处理器(refresh processor)220可用以对一序列由刷新要求产生器(refreshgenerator)210产生的刷新要求，进行顺位排序。然后再依据排定的优先顺位发出刷新要求(假如这一刷新要求有较高的优先顺位的话)至存储器控制器230。排顺位的规则一般是依据有多少个尚未处理(或称悬而未决)的刷新要求(pending refresh request)数目而定，假如悬而未决的刷新要求数目超越临界值，较低顺位的刷新要求顺位将会升级为较高顺位的刷新要求。
对一传统的刷新系统而言，一系列的系统要求将会被刷新要求而中断，这是因为此时刷新要求的优先顺位必须高过系统要求否则DRAM内的数据将流失。如果刷新要求不进行何排序动作的话，显然的，存储器系统的性能将会因刷新要求的出现而降低。进行优先顺位的排序将可以有效减少非属紧迫性的刷新要求的出现而干扰到系统要求，除非它比系统要求的顺位更高。
请参考图三，图示另一种存储器刷新系统，一般称为背景刷新(background request)系统。当存储器系统没有进行任何的系统要求时，亦即当系统是在空闲状态(idle state)时，一个刷新要求就会进行。当介于处理器305和存储器控制器(memory controller)330之间的总线(bus)处于空闲状态，并且被总线监视器310所侦测时，刷新控制器320就发出刷新要求给系统控制器320，以便对DRAM 340进行刷新。
本发明的一目的是用以改善存储器刷新系统的刷新要求干扰系统要求，以提高存储器系统的效能表现。
本发明通过以技术方案达到一种存储器刷新系统，至少包含一状态空闲监视器；一刷新控制器，具有一刷新循环计数器、一残余时间计时器和一间隔计时器以产生排定优先顺位的高顺位刷新要求、中顺位刷新要求或低顺位刷新要求三者其中之一；及一DRAM控制器，该状态空闲监视器监视该DRAM控制器和一处理器之间的总线状态，该刷新控制器产生的该高顺位刷新要求、该中顺位刷新要求或该低顺位刷新要求是依据该刷新循环计数器、该残余时间计时器和该间隔计时器及该状态空闲监视器的信息而定，当该DRAM控制器收到了较高顺位的刷新要求给该存储器，如果该刷新要求的顺位比系统要求的顺位高的话，则该系统刷新该存储器。
本发明的刷新系统至少包含一状态空闲监视器，一刷新控制器以产生刷新要求的顺位优先排序，及一DRAM控制器，用以比较所接收的刷新要求的优先顺位是否超过系统要求以发出较高顺位的一种给DRAM。优先顺位的排序，基本上是依据还剩下多少个刷新要求及还剩下多少的时间可以完成这些剩余的刷新要求与及存储器系统是否是在空闲的状态。本发明提出的刷新要求顺位共分为三种，即高顺位刷新要求、中顺位刷新要求及低顺位刷新要求，而系统要求则分为较高顺位系统要求与较低顺位系统要求二种。
本发明的方法是将所有的刷新要求(refresh request)或刷新循环(refresh cycles)分配给多个时隙(slot time)。每一时隙必须完成所有分配数量的刷新要求。在一时隙内的刷新要求，个别的、并依据顺位高低顺序处理，并且允许较高顺位的系统要求插入，当然，高顺位刷新要求在本发明中顺位排定是最优先的，因此不允插入任何系统要求。由于高顺位刷新要求发生频率将尽可能被降至最低程度，因此，本发明的装置及方法将可改善系统的效率。
本发明提出的一存储器刷新系统，此刷新系统可以产生三种顺位的刷新要求。就存储器刷新系统而言，本发明的存储器刷新系统，不仅利用了存储器系统的空闲状态，且因利用了排顺位的方式，因此，可对存储器系统产生最小程度的干扰，利用本发明的系统因此将可以大幅改善存储器系统的性能。
本发明的较佳实施例将于往后的说明文字中辅以下列附图
做更详细的阐述图一显示依据传统方法进行存储器刷新系统的一实施例。
图二显示依据传统方法具有优先顺位排序以进行存储器刷新系统的一实施例。
图三显示依据传统方法具有以背景时间进行存储器刷新系统的一实施例。
图四显示依据本发明存储器刷新系统一实施例所设计的方块说明图。
图五显示依据本发明存储器刷新系统一实施例所设计的优先顺位高低排序表的一实施例。
图六显示依据本发明存储器刷新系统一实施例的状态空闲监视器部分的方块说明图。
图七显示依据本发明存储器刷新系统一实施例的刷新控制器的方块图说明。
图八显示依据本发明存储器刷新系统一实施例，说明何时以及何种的刷新要求将必须要产生的流程图。
图九显示依据本发明存储器刷新系统一实施例的低顺位刷新要求产生器的方块图细节说明。
图十显示依据本发明存储器刷新系统一实施例的中顺位刷新要求产生器的方块图细节说明。
图十一显示依据本发明存储器刷新系统一实施例的高顺位刷新要求产生器的方块图细节说明。
所有DRAM存储器的储存组件都必须于一规定的时间内进行刷新一次，而这个时间就称为刷新周期时间(refresh period)，刷新周期时间的一典型值约在几十个毫秒之内，在此一刷新周期内约必须完成约1024个刷新循环(refresh cycle)。最简单的刷新循环的分配方式是将所有的刷新循环平均分布于一刷新周期时间之内。每一刷新循环进行一整列(one row)的存储器组件的刷新处理，如果一刷新循环的时间(记做Td)，那Td当然要等于或小于刷新周期除以储存组件的所有列数。
另一种刷新的方法是一种称为猝发(burst)的方式，所有的刷新要求或者绝大多数的刷新要求都要在一定的时间完成，这个时间称为Th。Th时间要远远小于一刷新周期时间。不管是刷新要求以平均分布的方式或者是刷新方式以猝发的方式进行，在固定的时间都一定要发出，而当这些刷新要求发出时，将即刻使系统要求停顿下来，因此，DRAM的刷新要求可致使系统表现恶化，尤其是总线也在忙碌时。
本发明所采用的手段既不是将刷新要求以平均分布的方式处理也不是以猝发的方式发出，而是将刷新周期分成数个群组，称为时段(slot)。每一时段都有相同的时间间隔称为时隙(time slot)。在一时隙之中必须处理许多的刷新要求，以一较佳的实施例而言，一个时隙约为1至8毫秒。一时隙所需处理的刷新要求数约为一刷新周期内所要处理的总数除以时隙的总个数。引用时隙的概念，存储器的刷新系统可以更有弹性，并且由于刷新要求以及系统要求都已做了优先顺位高低的排序，存储器的刷新要求不再是每一个都是最优先的，因此，系统要求将受到最小程度的干扰。
依据本发明的一较佳实施例请参见图四，图四中存储器刷新系统400包括一状态空闲监视器410，一刷新控制器420和一DRAM系统控制器440。DRAM系统控制器440接收来自刷新控制器420所发出的已排定优先顺位高低的刷新要求，以及存储器系统要求350以进行比较。状态空闲监视器410则监控DRAM系统控制器440是否处于闲置状态。刷新控制器420接收来自状态空闲监视器410是否处于闲置状态的信息以便产生具有排定顺位高低排序的刷新要求给DRAM系统控制器440。
当DRAM系统控制器440收到了已排顺位高低的刷新要求之后便送出″Done″的信号，以回应刷新控制器420。当一时隙结束之后″Reset″信号就会发送给刷新控制器420。DRAM系统控制器440比较已排序的刷新要求与系统要求，用以发出刷新要求或系统要求其中之一给存储器，如果刷新要求的顺位高于系统要求就发出刷新要求，反的则发出系统要求。因此，刷新系统400可以尽可能减少对系统要求产生干扰。DRAM系统控制器440可以控制任何的动态存储器，例如DRAM、VRAM(显示器用随机存取存储器)、或SDRAM(同步动态随机存取存储器)。
图五所示表格是DRAM系统控制器440依据本发明方法而列出的刷新要求及系统要求的顺位高低排序表。表格中，优先权由高至低依序为高顺位刷新要求425、较高顺位系统要求424、中顺位刷新要求423、较低顺位系统要求422，及低顺位刷新要求421。最高权限是分配给高顺位刷新要求425，以避免存储器内数据由于未能及时刷新所导致的存储器数据的流失。不过高顺位刷新要求425出现的频率要尽可能的少。
最低权限是分配给低顺位刷新要求421。当系统是处于空闲状态，即没有任何的系统要求被请求时才进行低顺位刷新要求421的处理。系统要求是被分配成两个即较高顺位系统要求424、及较低顺位系统要求422。较高顺位系统要求424可以是如显示页框(display frame)的部分，它必须足够的平顺，使用者才不会很容易察觉。也因此它需要尽可能减少受到刷新要求的干扰，本发明因此将其安排在第二顺位。相对的某些系统要求并非那么紧急，例如自存储器读取数据或写入数据于框页的缓冲器中，这部分的请求通常可以稍候(使用者不易察觉)，也因此较低顺位系统要求422仅比低顺位刷新要求421的顺位高些而已。
图六显示状态空闲监视器410的方块说明图。状态空闲监视器410至少包含一计数器411、一暂存器412及一比较器413。当DRAM控制器440没有收到任何需要处理的系统要求时，状态空闲监视器410就会接收到来自DRAM控制器440所发出的″System Idle″信号。之后计数器411就会计数有多少个空闲循环(idle cycle)。对每一时钟(clocktime)当″System Idle″仍存在时，计数器411就会自动加1。唯有超过一定数目的″System Idle″才会被视为真正的System Idle。这是因为每次执行一刷新要求的时间就要用掉大约10个时钟时间(clocktime)，为不使得系统要求被任意中断而定最小的时钟数是有必要的，以免伤害到系统的性能。计数器411的内含会和储存于暂存器412内储存的临界值(threshold)(系统设计者定义的值)由比较器413进行比较。
当″System Idle″不再存在时，状态空闲监视器410就会重置计数器411。虽然，状态空闲监视器410所做的是过去历史的记录而不是一未来记录，不过它对于系统是否真正的空闲提供了良好的预测。
图七显示刷新控制器420的方块说明图。刷新控制器420至少包含了七个模块包含一组态电路(configuration Circuit)4202、一间隔计时器(interval timer)4225、残余时间计时器(remainingtimer)4215、刷新计数器(Refresh Counter)4205、高顺位刷新要求产生器(High-Priority Generator)4230、中顺位刷新要求产生器(Medium-Priority Generator)4220和低顺位刷新要求产生器(Low-Priority Generator)4210等。当组态电路4202接收到外部″Reset″信号及″Done″时，首先将间隔计时器4225、残余时间计时器4215及刷新循环计数器4205的内容初始化。信号″Done″是用以回应DRAM存储器控制器440已收到排定优先顺位的刷新要求时所做的回应。如果信号″Done″作用时意谓着一刷新要求已被实施并且已完成。组态电路4202重置间隔计时器4225并将刷新循环计数器4205减1个单位的内容，直到在一时隙内的所有刷新循环都已经处理完毕。之后Reset″信号才产生以初始化组态电路4202。
除此之外，组态电路4202也监视残余时间计时器4215的内容。只要残余时间计时器内的残余时间降至零，组态电路4202重置刷新循环计数器4205和残余时间计时器4215。
间隔计时器4225的使用是用以记录DRAM组块(bank)(未图示)已开启的状态到底已历时多久时间了。DRAM组块如果一直在开启状态且超过一定的临界时间而不关闭也会使得数据流失。因此必须关闭再重置间隔计时器4225至零。
残余时间计时器4215的使用，是用以记录还有多少可用的时间以便处理所有仍然还没有被处理的刷新要求。当残余时间到达零时，残余时间计时器4215就会发出一信号以回应组态电路4202以回应一时隙已结束。残余时间计时器4215即刻重置至一预设值，即一时隙的大小。
刷新循环计数器4205是一种向上计数的计数器，用以计数还剩下多少个残余的刷新要求。当组态电路4202侦测到信号″Done″的作用，它就会使得刷新循环计数器4205减去1。假如刷新循环计数器4205被告知要重置时，刷新循环计数器的内容将会被重置至一预设值，亦即在一时隙内所要处理的刷新要求数。
高顺位刷新要求产生器4230产生的刷新要求HRef是依据间隔计时器4225、残余时间计时器4215及刷新循环计数器4205等所提供的信息来决定。中顺位刷新要求产生器产生的刷新要求MRef是依据残余时间计时器4215及刷新循环计数器4205等所提供的信息来决定。而低顺位刷新要求产生器4205产生的刷新要求LRef是依据刷新循环计数器4205及状态空闲监视器410等所提供的信息来决定。
为方便说明何时以及何种顺位的刷新要求将被产生，请参见图八所示的流程图500。同时也请配合图七的刷新控制器420的结构图。其中步骤505是用以初始化刷新循环计数器4205、残余时间计时器4215及间隔计时器4225及设定一安全时间(guard band，即GB)。步骤510表示的是刷新循环计数器4205还有多少个刷新循环″i″待完成，假如刷新循环i等于零，就进到步骤525，以等待目前的时隙结束。假如刷新循环i大于零，将有两条路径″A″及″B″可同时提供选择。先说明刷新循环i等于零的情形，步骤525是用以判断残余时间TR的大小。假如TR＝O意思是目前的时隙已结束，即将进入下一时隙。假如TR＞O意思是已没有任何的刷新循环在等待状态，因此它会继续等待，直到目前的时隙结束。
对于刷新循环i大于零的情况，首先说明路径″A″。步骤530判断存储器系统是否的确处于空闲状态，如果存储器系统已真正空闲，随后进行步骤540，亦即，发出低顺位刷新要求，然后再至步骤600。步骤600是由DRAM控制器440发出″Done″信号给刷新控制器420如前所述。
对于刷新循环i大于零的情况的另一路径″B″是到步骤550以计算残余时间TR是否仍足以处理所有的残存的刷新循环i，此外，步骤550并加入安全时间GB的观念。即等待处理的所有刷新循环所需时间TN加上GB和残留时间TR相比较，以便即时发出虽不是最急迫但也是能先处理就先处理的刷新要求，亦即比较低顺位系统要求的高一等级的中顺位刷新要求MRef。此外，当存储器系统也不是处于空闲状态时(即步骤530的结果为否时)，也要进入步骤550的判定步骤。假如，步骤550的结果是不成立，表示还未到发中顺位刷新要求的必要时机，因此，就回到路径”D”，否则如流程图所示，前进至步骤560。步骤560是用以判断是否残余时间计时器TR虽比TN+GB小但仍大于TN。假如步骤560的结果真(true)。亦即残余时间TR足以处理所有残留的刷新循环，但很接近一临界时间。因此，一中顺位刷新要求Mref就发出，如步骤570所示，然后再至步骤600。
假如步骤560的结果伪。亦即残余时间TR不足以处理所有残留的刷新循环，依据本发明的方法，就必须要发出高顺位刷新要求HRef信号给DRAM控制器440才行。发出高顺位刷新要求HRef信号的另一情况是判断间隔计时器4225所计录的间隔时间TI是否已逼近临界值TH，请参考步骤580，步骤580是用以判断间隔计时器已历经的时间TI是否相等或大于临界值TH。假如步骤580的结果是成立的，它就必须要发出高顺位刷新要求HRef信号给DRAM控制器440才行，否则储存于DRAM内的数据将流失。因此，就会紧急发出HRef信号。在发出HRef信号产生之后，就前进至步骤600。由于高顺位刷新要求HRef信号已是最高顺位，因此假始第一个HRef信号发出后，在目前时隙内的其余剩下的刷新要求将都会被顺序处理。当步骤580的结果不成立，亦即间隔计时器4225所记录的间隔时间尚不够紧迫，因此仍由间隔计时器4225继续计数TI，因此回到路径”C”，除非间隔计时器4225累积的间隔时间已超过临界值。
在任何已排优先顺位的刷新要求的任何一种发出之后，仍请参考图八，刷新控制器420就会一直等待DRAM控制器440发出一″Done″信号的回应给刷新控制器420。在″Done″信号发出后，就会再减去一个一刷新循环，如步骤610所示。之后，再回到步骤520。
图九至图十一分别显示低顺位刷新要求产生器4210、中顺位刷新要求产生器4220和高顺位刷新要求产生器4230的硬件方块架构图。
图九显示低顺位刷新要求产生器4210。低顺位刷新要求产生器4210至少包含一比较器4212用以比较存在暂存器4213内的常数值零与刷新循环计数器4225内含。比较器4212所获得的结果就做为AND逻辑门4211的一输入端。AND逻辑门4211的另一输入端则是空闲信号″Idle″。一Lref的低顺位刷新要求产生，假如在刷新循环计数器4210内至少还有一个残余的刷新要求等待被处理，并且存储器系统是处于空闲状态的话。只要有任何的系统要求，Lref信号是不会产生的。
请参考图十，图十中示中顺位刷新要求产生器4220的方块图。暂存器4222A储存了一刷新循环所需要处理的时间。暂存器4222B储存了一安全时间值GB，GB是依据系统设计者来定义，以确保刷新要求动作可以安全且及时完成最后残余刷新循环数。以一较佳的实施例而言，GB的大小大约为31至250μs。在刷新循环计数器4205内的剩余的刷新要求经由乘法器4221计算要完成残余的刷新要求所需要的时间。乘法器4221的计算结果经由加法器4223和暂存器4222B内储存的安全时间GB相加。加法器4223计算的结果然后再和残余时间计时器4215内的残余时间TR进行比较。假如比较器4224的结果显示小于残留时间则一中顺位刷新要求MRef信号将产生。
图十一显示高顺位刷新要求产生器4230的硬件架构方块图，有两种情况都可会促使产生高顺位刷新要求。其中之一是由间隔计时器4225所记录的时间已到一储存于暂存器4234内的预设的临界值。以本发明为例，我们选定DRAM AC时钟参数记做tRASmax做为此一预设的临界值，因此，每一tRASmax都发出一刷新要求。我们可以避免违反tRASmax而不需加入任何额外的硬件。另一种会产生高顺位刷新要求HRef信号的情况是剩下的时间已比完成剩下的未处理的刷新要求所需的时间相等或较少时就必须发出。暂存器方块4232、乘法器方块4231、及比较器方块4233的功能和前述的暂存器4222A、乘法器方块4221、及比较器方块4223相似，因此不再赘述。请注意，在高顺位刷新要求产生器4230中并没有引用安全时间。
不管是比较器4235的结果或者比较器4233的结果何者成立，只要有一者成立即可。换言的可经由OR逻辑门4236进行判断。以促使高顺位刷新要求HRef信号立即产生。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的申请专利范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在权利要求范围内。
权利要求
1.一种存储器刷新系统，其特征在于至少包含一状态空闲监视器；一刷新控制器，具有一刷新循环计数器、一残余时间计时器和一间隔计时器以产生排定优先顺位的高顺位刷新要求、中顺位刷新要求或低顺位刷新要求三者其中之一；及一DRAM控制器，该状态空闲监视器监视该DRAM控制器和一处理器之间的总线状态，该刷新控制器产生的该高顺位刷新要求、该中顺位刷新要求或该低顺位刷新要求是依据该刷新循环计数器、该残余时间计时器和该间隔计时器及该状态空闲监视器的信息而定，当该DRAM控制器收到了较高顺位的刷新要求给该存储器，如果该刷新要求的顺位比系统要求的顺位高的话，则该系统刷新该存储器。
2.如权利要求1所述的存储器刷新系统，其特征在于上述的状态空闲监视器至少包含计数器用以计算该存储器刷新系统已历经多少个空闲时钟；及一比较器用以比较该计数器所计数的值是否超过一预设的临界值。
3.如权利要求1所述的存储器刷新系统，其特征在于上述的刷新控制器还包含一组态电路，用以初始化该刷新循环计数器、该间隔计时器和该残余时间计时器；一高顺位刷新要求产生器，用以产生高顺位刷新要求；一中顺位刷新要求产生器，用以产生中顺位刷新要求；及一低顺位刷新要求产生器，用以产生低顺位刷新要求。
4.如权利要求3所述的存储器刷新系统，其特征在于上述的间隔计时器、该残余时间计时器和该刷新循环计数器都分别为该组态电路预设为第一、第二及第三预设值。
5.如权利要求3所述的存储器刷新系统，其特征在于上述的第一、第二及第三预设值分别为零、一时隙时间、分配至该时序所要处理的刷新循环的数目。
6.如权利要求5所述的存储器刷新系统，其特征在于上述的时隙时间约为1-8毫秒。
7.如权利要求3所述的存储器刷新系统，其特征在于上述的间隔计时器增加一时钟计数直到上述的刷新要求的其中之一被发至该存储器控制器。
8.如权利要求3所述的存储器刷新系统，其特征在于当该刷新控制器发出一上述具有顺位的刷新要求给DRAM控制器，而该DRAM控制器回应一信号给刷新控制器时，上述的刷新循环计数器将减去1。
9.如权利要求3所述的存储器刷新系统，其特征在于当该残余时间计时器所记录的残余时间等于或小于处理刷新循环计数器内储存的残余刷新循环所需要的时间时，上述的高顺位刷新要求产生器将发出一高顺位刷新要求。
10.如权利要求3所述的存储器刷新系统，其特征在于当该间隔计时器所计录的时间等于或大于一临界值时，上述的高顺位刷新要求产生器将发出一高顺位刷新要求。
11.如权利要求3所述的存储器刷新系统，其特征在于当该残余时间计时器所记录的残余时间等于或小于一安全时间和处理该刷新循环计数器内储存的残余刷新循环所需要的时间时，上述的中顺位刷新要求产生器将发出一中顺位刷新要求。
12.如权利要求11所述的存储器刷新系统，其特征在于上述的安全时间约为31.2至250μs之间。
13.如权利要求3所述的存储器刷新系统，其特征在于当该刷新循环计数器内容非零，且DRAM系统是处于空闲状态时，上述的低顺位刷新要求产生器将发出一低顺位刷新要求。
14.如权利要求1所述的存储器刷新系统，其特征在于上述的优先顺位排序由低至高分别为该低顺位刷新要求，较低顺位系统要求、该中顺位刷新要求、较高顺位系统要求，和该高顺位刷新要求。
15.如权利要求14所述的存储器刷新系统，其特征在于上述的较高顺位系统要求至少包含影像显示、声音部分其中之一的系统要求。
16.如权利要求14所述的存储器刷新系统，其特征在于上述的较低顺位系统要求至少包含读出存储器或写入存储器的系统要求。
17.如权利要求1所述的存储器刷新系统，其特征在于上述的DRAM控制器将比较排定顺位的刷新要求的优先顺位和系统要求的优先顺位择一较高顺位者至该存储器。
全文摘要
一种存储器刷新系统至少包含:一刷新控制器,用以产生排定优先顺位的刷新要求给存储器控制器,以便依据其顺位进行动态存储器的刷新或系统要求。在此存储器刷新系统中排定的刷新要求优先顺位,分为高、中及低顺位刷新要求。而系统要求则分为较高及较低的系统要求。除非刷新要求的顺位高过系统要求,否则系统要求不会被中断,且由于刷新要求已做了顺位排序,高顺位刷新要求可以减至最低的次数,因此对于系统的表现可以大步提高。
文档编号G11C11/406GK1375831SQ0110917
公开日2002年10月23日 申请日期2001年3月16日 优先权日2001年3月16日
发明者周俊彦, 吕忠晏 申请人:矽统科技股份有限公司