eMMC를 이용한 비동기용 불휘발성 메모리 모듈 설계 = Design of Asynchronous Non-Volatile Memory Module Using eMMC

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 eMMC를 이용한 비동기용 불휘발성 메모리 모듈을 구현하는 방법에 대해 제시하였다. NVSRAM은 SRAM과 불휘발성 메모리 기술이 접목된 소자로 시스템 정전시에 처리하던 데이터를 즉각적으로 백업할 수 있도록 구성되어 있어 데이터 손실 위협을 최소화할 수 있다. 기존 NVSRAM은 해외에서 2Mbytes 단위의 높은 단가로 판매하고 있고 신뢰성 진단 기능에 많은 제한이 있다. 본 논문에서 제시하는 메모리 모듈은 데이터 처리를 위한 4Mbytes 단위의 PSRAM, 데이터 저장을 위한 1Gbyte 단위의 eMMC, 고성능 메모리 컨트롤러를 활용하여 구현하였다. 승압 회로를 설계 및 적용하여 모듈의 전원이 80% 이하가 되었을 때 모듈 내부의 메모리 컨트롤러로 저전압 감지 신호인 SAVE_REQ를 전달하여 데이터 백업 동작을 수행할 수 있도록 구현하였다. 또한 데이터 백업 동작이 수행되는 동안에 충분한 시간을 보장할 수 있도록 승압 회로에 슈퍼 커패시터를 적용하여 모듈 전원이 ON 상태일 때는 충전하고 시스템 정전시 충전된 전력을 승압하여 모듈에 공급할 수 있도록 구현했다. 데이터 처리를 위하여 모듈 내부의 메모리 컨트롤러를 통해 PSRAM을 쓰기 동작시에 65ns, 읽기 동작시에 70ns의 Access Time으로 동작할 수 있도록 구성하였으며 빠른 속도로 간섭받지 않고 읽기와 쓰기 동작을 수행하기 위해 비동기 방식을 적용하고 워드(Word) 단위로 송수신할 수 있도록 구현했다. 또한 메모리 컨트롤러의 SDMMC 기능을 활용하여 데이터를 저장할 수 있도록 eMMC 데이터 저장 시스템을 구현하였다. 자가 진단 시스템 구현을 위하여 eMMC Memory Map을 설계하였으며 데이터를 효율적으로 유지 및 관리 할 수 있도록 하였다. 또한 모듈 내부의 MPU를 통해 RTC를 구현하여 모듈의 주요 동작 상태를 기록할 수 있게 하였다. 마지막으로 모듈의 데이터 신뢰성을 향상시키기 위하여 0ppm의 에러율을 보이는 에러 보정 코드를 적용한 CRC32를 구현하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this thesis, a method to implement the design of asynchronous non-volatile memory module Using eMMC is presented. NVSRAM is a device that combines SRAM and non-volatile memory technology to instantly back up processed data in the event of a system power failure, minimizing the threat of data loss. Existing NVSRAM is sold abroad at a high unit price of 2Mbytes, and there are many limitations in reliability diagnosis function. The memory module designed in this thesis is implemented using the 4Mbytes of PSRAM for data processing, the one Gbyte of eMMC for data storage, and a high-performance memory controller.
By designing and applying a step-up circuit, when the power of the module is less than 80%, the low voltage detection signal SAVE_REQ is transmitted to the memory controller inside the module to perform data backup operation. In order to secure sufficient time for data backup, the super capacitor is applied to the boost circuit to charge when the module power is ON, and boost the charged power in case of a system power failure and supply it to the module. For data processing, PSRAM is configured to operate with an access time of 65ns for write operations and 70ns for read operations via a memory controller inside the module. In addition, in order to perform high-speed read and write operations without interference, an asynchronous method is applied to implement word-based transmission and reception. The eMMC data storage system is implemented to utilize the SDMMC function of the memory controller to store data. To implement a self-diagnostic system, the eMMC memory map can be designed to efficiently maintain data. Also, RTC can be implemented through the MPU inside the module to record the main operating status of the module. In addition, in order to improve the data reliability of the module, CRC32 algorithm with an error correction code showing an error rate of 0ppm was implemented.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제 2 장 메모리 종류 3
• 제 1 절 휘발성 메모리의 구조와 특징 3
• 2.1.1 DRAM (Dynamic Random Access Memory) 3
• 2.1.2 SRAM (Static Random Access Memory) 6
• 2.1.3 PSRAM (Pesudo Static Random Access Memory) 8
• 제 2 절 불휘발성 메모리의 구조와 특징 9
• 2.2.1 NAND FLASH 11
• 2.2.2 NOR FLASH 12
• 2.2.3 eMMC (embedded Multi-Media Card) 13
• 2.2.4 NVSRAM (Non-Volatile Static Random Access Memory) 14
• 제 3 장 eMMC를 이용한 비동기용 불휘발성 메모리 모듈 구성 16
• 제 1 절 메모리 모듈 구성 16
• 3.1.1 슈퍼 커패시터를 활용한 승압 회로의 구성 18
• 3.1.2 PSRAM 데이터 처리 인터페이스 구성 20
• 3.1.3 eMMC 데이터 저장 시스템 구성 24
• 제 2 절 지능형 자가 진단 시스템 25
• 3.2.1 eMMC Mamory Map의 구성 25
• 3.2.2 에러 보정 코드를 적용한 CRC32의 구성 27
• 3.2.3 RTC (Real Time Clock)의 구성 28
• 제 4 장 실험 구성 및 결과 29
• 제 1 절 실험 구성을 위한 평가 보드 설계 29
• 제 2 절 실험 결과 31
• 4.2.1 슈퍼 커패시터를 활용한 승압 회로 구현 및 실험 결과 34
• 4.2.2 PSRAM 데이터 처리 인터페이스 구현 및 실험 결과 36
• 4.2.3 eMMC 데이터 저장 시스템 구현 및 실험 결과 38
• 4.2.4 지능형 자가 진단 시스템 구현 및 실험 결과 41
• 제 5 장 결론 44
• 참고문헌 46
• ABSTRACT 48