JPH02187881A - 半導体集積回路 - Google Patents

半導体集積回路

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JPH02187881A
JPH02187881A JP1006841A JP684189A JPH02187881A JP H02187881 A JPH02187881 A JP H02187881A JP 1006841 A JP1006841 A JP 1006841A JP 684189 A JP684189 A JP 684189A JP H02187881 A JPH02187881 A JP H02187881A
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JP
Japan
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speed
memory
cache
static ram
bit
Prior art date
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Pending
Application number
JP1006841A
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English (en)
Inventor
Taketora Shiraishi
竹虎 白石
Noriyoshi Sakashita
坂下 徳美
Takeshi Tokuda
健 徳田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP1006841A priority Critical patent/JPH02187881A/ja
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、同一チップ内に中央処理装置と主記憶装置
とを内蔵する半導体集積回路に関するものである。
〔従来の技術〕
第6図は゛32ビット・マイクロプロセッサ入門′°(
南宗宏著 CQ出版社)に記載された従来の半導体集積
回路の一例であるモトローラ社の32ビツトマイクロプ
ロセツサMC68020のブロック図を示したものであ
る。この図において、2はキャッシュ、4はデータバス
、5はアドレスバス、91はバスコントローラ、92は
命令ブリフェッチ及デコード、93はシーケンサ、94
は制御ユニット、95は実行ユニット、96はバス制御
である。
MC68020の動作の概要を次に示す。
まず、命令ブリフェッチ及デコード92は命令を取り込
むためアドレスをキャッシュ2に送る。
キャッシュ2は内部に64ブロツク(256バイト)を
内蔵し、命令ブリフェッチ及デコード92からのアドレ
スの第2ビツトから第7ビツトに従って1ブロツク(4
バイト)を選択する。選択されたブロックのタグ部はア
ドレスの第8ビツトから第31ビツトまでと比較され、
両者が一致していればキャツシュヒツトとなり、アドレ
スの第1ビツトによって1ブロツク(4バイト)の中か
ら2バイトが選択されて読み出される。読み出された命
令は、命令ブリフェッチ及デコード92でデコードされ
、シーケンサ93および制御ユニット94に送られ実行
ユニット95で実行される。
選択されたタグ部とアドレスの第8ビツトから第31ビ
ツトまでとの比較において、一致しなかった場合はキャ
ッシュミスとなる。このとき、バスコントローラ91に
よってアドレスバス5からアドレスが出力され、外部の
主記憶装置をアクセスし命令をデータバス4から取り込
む。キャッシュ2はデータバス4から独立しているため
、キャツシュヒツト時はデータバス4.アドレスバス5
をデータオペランドのアクセスに利用でき、命令のアク
セスとデータオペランドのアクセスを同時に行うことが
できる。しかし、キャッシュミス時はデータバス4.ア
ドレスバス5は命令のアクセスに占有されているため、
データオペランドのアクセスを同時に行うことができな
い。
〔発明が解決しようとする課題〕
以上のように構成された半導体集積回路では、主記憶装
置が外付けになっているため、必要なデータがキャッシ
ュの中にない場合外部のメモリをアクセスする必要があ
り、この場合チップ間でデータの転送が行われる。通常
、チップ間のデータ転送では、負荷容量の大きい外部バ
スのドライブおよび外部記憶装置のアクセスによってシ
ステム全体の消費電力が増大する。さらに、外部バスが
命令フェッチのために占有されるため、DMAコントロ
ーラ等の他のバスマスタが利用できるバスバンド幅が減
少する。したがって、キャッシュミスを起こした場合シ
ステム性能が著しく劣化する。また、チップ内のキャッ
シュの記憶容量を増大することにより外部とのアクセス
を減少させることができるが、1チツプ上での高速で動
作する記憶装置の大容量化は消費電力およびチップ面積
の増大につながる。
この発明は、かかる問題点を解決するためになされたも
ので、チップの消費電力の増大を極力抑え、システム性
能を落とさずに大容量の記憶装置をチップ内に内蔵させ
た半導体集積回路を得ることを目的とする。
〔課題を解決するための手段) この発明に係る半導体集積回路は、命令を逐次実行する
中央処理装置と、命令を記憶するキャッシュメモリと、
このキャッシュメモリよりも容量が大きく、キャッシュ
メモリに中央処理装置が処理すべき命令がない場合のみ
アクセスされる主記憶装置とを同一チップ上に有し、キ
ャッシュメモリを高速スタティックRAMで構成し、主
記憶装置を高速スタティックRAMに比べて低速低電力
のスタティックRAM、あるいは高速スタティックRA
Mに比べて低速低電力のROMで構成したものである。
(作用) この発明においては、高速性を必要とするキャッシュの
メモリセル1ビット当りの占める面積が大きくなるが、
大容量を必要とする主記憶装置のメモリセル1ビット当
りの占める面積が小さくなり、特にデプレッションタイ
プのトランジスタをメモリセルに用いた場合、メモリセ
ル1ビツト当りに占める面積は非常に小さくなる。すな
わち、1チツプ上に2種類の記憶装置を内蔵することに
より、高速動作を維持しつつ1チツプ上の限られた面積
に大容量の記憶装置を内蔵することができる。
〔実施例〕
第1図はこの発明の半導体集積回路の一実施例の構成を
示したブロック図である。この図において、1は中央処
理装置、10はプログラムカウンタ、11はインストラ
クションレジスタ、2は高速スタティックRAMで構成
されたキャッシュで、デコーダ20.タグ比較器21.
セレクタ22およびメモリアレイ部23で構成される。
さらに、メモリアレイ部23には8ビツトのタグ230
.1ビツトのタグ有効ビット231.32ビツト×4ワ
ードのデータ232を1組とする情報が16組格納され
ている。3はマスクROMまたは低速低電力のスタティ
ックRAMで構成された主記憶装置で、デコーダ30.
16にワード×32ビットのメモリアレイ部31.セン
スアンプ32で構成されている。4はデータバス、5は
アドレスバス、6は前記キャッシュ2がヒツトしたかミ
スしたかを示す信号線、7は前記主記憶装置3からのデ
ータ出力信号線、8は1チツプ構成の半導体集積回路で
ある。
次に動作について説明する。
中央処理装置1は命令をフェッチする場合、プログラム
カウンタ10からアドレスをキャッシュ2および主記憶
装置3に出力する。キャッシュ2は16ビツトのアドレ
スのうち、0ビツト目と1ビツト目の下位2ビツトをセ
レクタ22に、2ビツト目から5ビツト目までの計4ビ
ットをデコーダ20に、6ビツト目から13ビツトまで
の上位8ビツトをタグ比較器21に人力する。デコーダ
20は2ビツト目から5ビツト目をデコードし、16組
のタグ・タグ有効ビット・4ワードデータのうち1組を
選択する。選択されたタグおよびタグ有効ビットはタグ
比較器21に、4ワードのデータはセレクタ22に出力
される。タグ比較器21はタグ有効ビットが真で、かつ
アドレスの上位8ビツトとタグが一致していればキャツ
シュヒツト信号をセレクタ22および主記憶装置3のデ
コーダ30に出力する。セレクタ22はあらかじめ下位
2ビツトのアドレスに従って4ワードのデータから選択
した1ワードをキャツシュヒツト信号に同期させて中央
処理装置1に出力する。しかし、フェッチしたい命令が
キャッシュ2にない場合は、タグ比較器21でアドレス
とタグが一致しないためヒツトミス信号が出力される。
ヒツトミス信号はセレクタ22と主記憶装置3内のデコ
ーダ30に出力され、デコーダ30はヒツトミス信号を
受けてアドレスの上位12ビツトのデコードを開始し、
4に本のワード線のうちの1木をアクティブにする。ワ
ード線がアクティブになることによって4ワ一ド分のデ
ータがセンスアンプ32を介してキャッシュ2内のセレ
クタ22に出力される。セレクタ22はその4ワードの
データをデコーダ20で前もって選択されたデータ部に
書き込むと同時に、下位2ビツトのアドレスにしたがっ
て1ワードを選択し中央処理装置1に出力する。
以上の動作タイミングを第2図のタイミングチャートに
示す。中央処理装置1はクロックの立ち上がりに同期し
てアドレスを変化させる。アドレスは同じタイミングで
キャッシュ2と主記憶装置3に人力されるが、主記憶装
置3はキャッシュ2の動作が完了してヒツトミス信号出
力されるまでデコードを行わない。キャッシュ2がヒツ
トした場合、タグ比較器21のヒツト信号に同期してセ
レクタ22から中央処理装置1に命令が転送され、次の
クロックの立ち上りのタイミングで中央処理装置1のイ
ンストラクションレジスタ11にラッチされる。キャッ
シュ2がヒツトミスした場合は、タグ比較器21のヒツ
トミス信号に同期して主記憶装置3のアクセスが開始さ
れ、アクセスされた命令はセレクタ22を介して中央処
理装置1のインストラクションレジスタ11に3クロツ
ク目の立ち上がりに同期してラッチされる。したかって
、キャッシュ2がヒツトした場合は命令フェッチに1マ
シンサイクル、ヒツトミスした場合は3マシンサイクル
を要する。
以上のことから、キャレシュ2は高速アクセスが要求さ
れ、第3図に示すようなスタティックRAMで構成され
ている。一方、主記憶装置3はアクセスは遅くてよいが
、チップ上の限られた面積に大量の情報を記憶すること
が要求されるため、第4図に示すようなマスクROMで
構成されている。
第3図において、24はメモリセル、25はワード線、
26.27はビット線およびビット線であり、ワード線
25が゛Hパのときデータの書き込みあるいは読み出し
が行われる。
また、第4図において、31はメモリアレイ部、33は
ワード線、34はビット線、35はメモリセル、36は
グランド線である。メモリセル35のトランジスタはデ
プレッションタイプとエンハンスメントタイプの2 f
ffi類があり、メモリセル35の記憶情報を区別する
このマスクROMの動作を説明すると、デコーダ30は
アドレスをデコードし、1本のワード線33のみをアク
ティブ(”L”)にし、他のすべてのワード線33を非
アクティブ(“Hoo)にする。“H”のワード線33
につながったトランジスタはデプレッションタイプ、エ
ンハンスメントタイプに関係なく”ON”する。しかし
、“L″のワード線33につながっているトランジスタ
はデプレッションタイプのみが“ON” しエンハンス
メントタイプは’OFF”する。したがって、L“のワ
ード線33にデプレッションタイプのトランジスタがつ
ながっているビット線34のみL°“が出力される。こ
のタイプのマスクROMを使用した場合、メモリトラン
ジスタが直列に並ぶため直列抵抗が大きく動作速度が遅
< 1<るが、第5図に示すように、拡散層、ポリシリ
コン等によってコンタクトおよびメタルをほとんど使う
ことなくレイアウトすることができ、1ビットメモリセ
ル当りのレイアウト面積が非常に小さくなる。
以上のようにマスクROM等で主記憶装置3を構成する
ことによって、1チツプ上の限られた面積に大容量の記
憶装置を内蔵することができる。
この大容量の主記憶装置3はキャッシュミスした場合に
しかアクセスされず、動作速度も遅いため大容量をチッ
プに内蔵したことによる消費電力の増大を抑えることが
できる。さらに、オンチップメモリの大容量化によって
命令フェッチのために外部バスを占有する必要がなく、
他のバスマスタの利用できるバスバンド幅が増大する。
また、キャッシュは高速SRAMで構成されているため
、キャツシュヒツト時は高速にアクセスされシステムの
平均処理速度をほとんど落すことなくオンチップメモリ
の大容量化が行える。
なお、上記実施例ではキャッシュ2として直接マツピン
グ方式のものを用いたが、この発明は特にキャッシュの
構成方法を定めるものではなく、例えばフルアソシアテ
ィブ式あるいはセットアソシアティブ式等のものを用い
ても構成してもよい。また、中央処理装置で実行される
プログラムによってキャッシュの記憶内容の更新を制御
する構成であってもよい。さらに、上記実施例は一例と
してデータバス32ビツト、アドレスバス14ビツト、
主記憶装置16ワード×32ビツト、キャッシュ64ワ
ード×32ビツトで構成したが、特にこの発明は記憶容
量、バスビット幅を限定するものではない。
(発明の効果) この発明は以上説明したとおり、命令を逐次実行する中
央処理装置と、命令を記憶するキャッシュメモリと、こ
のキャッシュメモリよりも容量が大きく、キャッシュメ
モリに中央処理装置が!A埋すべき命令がない場合のみ
アクセスされる主記憶装置とを同一チップ上に有し、キ
ャッシュメモリを高速スタティックRA Mで構成し、
主記憶装置を高速スタティックRAMに比べて低速低電
力のスタティックRAM、あるいは高速スタティックR
AMに比べて低速低電力のROMで構成したので、動作
速度をほとんど落すことなくオンチップ記干、9装置の
容量を増すことができ、さらに、メモリ容量増大に伴う
消費電力の増大を抑えることができるうえ、チップ外部
とのアクセスによる外部バスの占有が極端に減り、他の
バスマスタが利用できるバスバンド幅が増大するという
効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の半導体集積回路の一実施例を示すブ
ロック図、第2図はこの発明の一実施例の動作を説明す
るタイミングチャート、第3図はこの発明におけるキャ
ッシュのメモリセルの回路図、第4図、第5図はそれぞ
れこの発明における主記憶装置のメモリアレイ部の回路
図とレイアウト図、第6図は従来の半導体集積回路の一
例を示すブロック図である。 図におい”C,1は中央処理装置、2はキャッシュ、3
は主記憶装置、4はデータバス、5はアドレスバス、6
は信号線、7はデータ出力信号線、8はこの発明の半導
体集積回路、10はプログラムカウンタ、11はインス
トラクションレジスタ、20.30はデコーダ、21は
タグ比較器、22はセレクタ、 23゜ 1はメモリアレイ部、 32はセンスアンプである。 なお、 各図中の同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 命令を逐次実行する中央処理装置と、前記命令を記憶す
    るキャッシュメモリと、このキャッシュメモリよりも容
    量が大きく、キャッシュメモリに前記中央処理装置が処
    理すべき命令がない場合のみアクセスされる主記憶装置
    とを同一チップ上に有し、前記キャッシュメモリを高速
    スタティックRAMで構成し、前記主記憶装置を前記高
    速スタティックRAMに比べて低速低電力のスタティッ
    クRAM、あるいは前記高速スタティックRAMに比べ
    て低速低電力のROMで構成したことを特徴とする半導
    体集積回路。
JP1006841A 1989-01-13 1989-01-13 半導体集積回路 Pending JPH02187881A (ja)

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WO1996036919A1 (fr) * 1995-05-19 1996-11-21 Hitachi, Ltd. Micro-ordinateur

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