AN94077 Advantages of 65-nm Technology Over 90-nm for Sync/NoBL® SRAMs (Chinese).pdf

AN94077
同步/NoBL® SRAM 的 65 nm 技术与 90 nm 技术间的优势
作者:Devardhi Mandya
相关项目:无
相关器件系列:CY7C14**KV33/25
CY7C13**KV33/25
软件版本:N/A
相关应用笔记:N/A
®
AN94077 详细介绍了赛普拉斯同步/NoBL (No Bus Latency™)SRAM 的 65 nm 技术与 90 nm 技术间的优势。
目录
简介 ..........................................................................1
文档修订记录................................................................... 12
65 nm 和 90 nm 同步/NoBL SRAM 器件对比 ............1
全球销售和设计支持 ........................................................ 13
功耗和结温计算................................................4
产品 ................................................................................. 13
3
在 65 nm 同步/NoBL SRAM 中实现 ECC ..................6
PSoC 解决方案.............................................................. 13
4
5
65 nm 同步/NoBL SRAM 的宽度和深度扩展 .............8
地址引脚分配 .......................................................... 10
赛普拉斯开发者社区 ........................................................ 13
6
总结 ........................................................................ 11
1
2
2.1
1
®
技术支持 .......................................................................... 13
简介
®
赛普拉斯 65 nm 同步/NoBL (No Bus Latency™)系列产品是与 90 nm 同步/NoBL 系列产品完全向后兼容的缩小芯
片。它集成了嵌入式纠错码(ECC),因而提高了软错误免疫性,并提升了现场质量。
SRAM 器件的稳定性受辐射的影响。为了降低 SRAM 器件的最大软错误率(SER),赛普拉斯提供了带有 ECC 的 65
nm 同步/NoBL SRAM 器件。这些器件的最大 SER 为 0.01 FIT/Mb,另外不带 ECC 的 65 nm SRAM 和 90 nm SRAM
器件的最大 SER 分别为 216 FIT/Mb 和 394 FIT/Mb。
本应用笔记详细说明了 65 nm 和 90 nm 同步/NoBL SRAM 间的主要区别,并重点介绍了 65 nm 技术的优点。
2
65 nm 和 90 nm 同步/NoBL SRAM 器件对比
表 1 总结了 65 nm 和 90 nm 同步/NoBL SRAM 器件在活动电流(IDD)、待机电流(ISB)、睡眠电流(IZZ)、开关电
流(IDDQ)、输入/输出电容、ECC、软错误率(SER)、内核电压(VDD)、I/O 电压(VDDQ)、功耗、容量、结构和
封装等方面的区别。
与 90 nm 器件相比,65 nm 同步/NoBL 器件的活动电流(IDD)明显得到改善,几乎降低了一半,待机电流(ISB)也显
著降低。由于 65 nm 器件的电流得到降低,65 nm SRAM 器件需要的总功耗与 90 nm SRAM 器件相比几乎降低了一
半。在新型 65 nm SRAM 器件中,输入/输出电容值也得到减少。
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1
同步/NoBL® SRAM 的 65 nm 技术与 90 nm 技术间的优势
表 1. 65 nm 和 90 nm 同步/NoBL 器件的特性对比
标准同步 SRAM
65 nm
90 nm
最大频率[1]
65 nm
和 90 nm
NoBL SRAM
流水线
输出式
管道式
输出式
SRAM
SRAM
SRAM
SRAM
65 nm
250 MHz
133 MHz
250 MHz
133 MHz
90 nm
250 MHz
133 MHz
250 MHz
133 MHz
65 nm
240 mA
170 mA
240 mA
170 mA
90 nm
475 mA
310 mA
475 mA
310 mA
65 nm
200 mA
149 mA
200 mA
149 mA
90 nm
350 mA
210 mA
350 mA
210 mA
65 nm
90 mA
90 mA
90 mA
90 mA
90 nm
225 mA
180 mA
225 mA
180 mA
65 nm
80 mA`
80 mA
80 mA`
80 mA
90 nm
160 mA
140 mA
160 mA
140 mA
65 nm
80 mA
80 mA
80 mA
80 mA
90 nm
120 mA
120 mA
120 mA
120 mA
65 nm
70 mA
70 mA
70 mA
70 mA
90 nm
70 mA
70 mA
70 mA
70 mA
65 nm
90 mA
90 mA
90 mA
90 mA
90 nm
200 mA
180 mA
200 mA
180 mA
65 nm
80 mA
80 mA
80 mA
80 mA
90 nm
135 mA
130 mA
135 mA
130 mA
65 nm
80 mA
80 mA
80 mA
80 mA
90 nm
135 mA
135 mA
135 mA
135 mA
65 nm
70 mA
70 mA
70 mA
70 mA
90 nm
80 mA
80 mA
80 mA
80 mA
65 nm
75 mA
75 mA
75 mA
75 mA
90 nm
100 mA
100 mA
100 mA
100 mA
65 nm
65 mA
65 mA
65 mA
65 mA
90 nm
80 mA
80 mA
80 mA
80 mA
36M & 18M
36M
IDD — 活动电流(最大值) [2]
18M
36M
ISB1 — 待机电流[3]
18M
36M
ISB2 — 待机电流[3]
18M
36M
ISB3 — 待机电流[3]
18M
36M
ISB4 — 待机电流[3]
18M
36M
[3]
IDDZZ — 睡眠模式下的待机电流
18M
65 nm
VDD — 内核电压
36M & 18M
VDDQ — I/O 电压
36M & 18M
3.3 V 或 2.5 V
90 nm
65 nm
3.3 V/2.5 V(VDD 为 3.3 V 时)或 2.5 V(VDD 为 2.5 V 时)
90 nm
1
赛普拉斯也支持频率为 200 MHz、167 MHz 和 133 MHz 的流水线 SRAM,以及频率为 100 MHz 的直通 SRAM。
2
列表中所提供的活动电流是针对 x36 总线宽度 SRAM 的值。其它容量 SRAM 的活动电流(IDD),请在以下网站查阅相应的产品数
据手册:www.cypress.com/?id=95。
3
欲了解待机电流的测试条件,请查阅相应器件的数据手册。
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2
同步/NoBL® SRAM 的 65 nm 技术与 90 nm 技术间的优势
标准同步 SRAM
65 nm
90 nm
65 nm
和 90 nm
NoBL SRAM
流水线
输出式
管道式
输出式
SRAM
SRAM
SRAM
SRAM
65 nm
792 mW
561 mW
792 mW
561 mW
90 nm
1568 mW
1023 mW
1568 mW
1023 mW
65 nm
660 mW
492 mW
660 mW
492 mW
90 nm
1155 mW
693 mW
1155 mW
693 mW
65 nm
1037 mW
691 mW
1037 mW
691 mW
90 nm
1813 mW
1153 mW
1813 mW
1153 mW
65 nm
905 mW
622 mW
905 mW
622 mW
90 nm
1425 mW
1179 mW
1425 mW
1179 mW
36M
最大内核功耗[4]
18M
36M
总功耗[5]
18M
65 nm
5 pF / 5 pF
90 nm
5.5 pF / 6 pF
65 nm
5 pF / 5 pF
90 nm
5 pF / 9 pF
36M
CI/O — 输入/输出电容
(TQFP/FBGA)
18M
组织(总线宽度)
ECC [6]
65 nm
x18、x32、
x36、x72
x18、x32、
x36
x18、x32、
x36、x72
x18、x32、
x36
90 nm
x18、x32、
x36、x72
x18、x32、
x36
x18、x32、
x36、x72
x18、x32、
x36
36M & 18M
65 nm
支持 — 单比特错误纠正(SEC)
90 nm
不支持
36M & 18M
单比特逻辑错误
(LSBU)— 65 nm
(带 ECC)
最大 SER
(FIT/Mb) [7]
36M & 18M
0.01
LSBU — 65 nm
(不带 ECC)
216
LSBU — 90 nm
394
65 nm
100 引脚 TQFP 和 165 球形焊盘 FBGA
90 nm
100 引脚 TQFP、119 球形焊盘 BGA 以及 165 球形焊盘 FBGA
65 nm
100 引脚 TQFP、119 球形焊盘 BGA 以及 165 球形焊盘 FBGA
90 nm
100 引脚 TQFP、119 球形焊盘 BGA 以及 165 球形焊盘 FBGA
65 nm
支持
36M
封装
18M
JTAG [8]
36M & 18M
90 nm
32 位 JTAG ID 代码
65 nm
36M & 18M
90 nm 器件和 65 nm 器件共享同一个 JTAG ID 代码
90 nm
4
内核功耗 = VDD x IDD
5
总功耗 = (内核功耗)+(开关功耗) = (VDD x IDD)+(α x f x CL x VDDQ2 x N)
6
赛普拉斯支持的 65 nm 器件可以具有 ECC 特性,也可以不具有该特性。
7
欲了解更多详细信息,请参考应用笔记 AN54908 — 加速中子 SER 测试和地面故障率的计算中的内容。
8
在 100 引脚 TQFP 封装中没有提供 JTAG 选项。
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3
同步/NoBL® SRAM 的 65 nm 技术与 90 nm 技术间的优势
2.1
功耗和结温计算
2.1.1
功耗(Pd)
使用下面的公式计算功耗:
Pd = 内核功耗 + I/O 开关功耗
2
Pd = VDD IDD + α f CL VDDQ N
其中:
VDD = 内核电压
IDD = 工作电流
α = 活动因子,或者是输出的切换频率与时钟频率之间的比例
f = 工作频率
CL = 外部负载电容
VDDQ = I/O 电压
N = 正在切换的 I/O 的数量
表 2 显示了与 90 nm 器件相比 65 nm 器件所具有的优质额定功率。
表 2. 65 nm 与 90 nm 同步/NoBL 器件之间的功耗比较
65 nm 同步 SRAM (36 Mb)
90 nm 同步 SRAM (36 Mb)
CY7C1440KV33-250AXC
CY7C1440AV33-250AXC
VDD = 3.3 V
VDD = 3.3 V
IDD = 240 mA
IDD = 475 mA
α = 0.5
α = 0.5
f = 250 MHz
f = 250 MHz
CL = 5 pF(100 引脚 TQFP 封装)
CL= 5 pF(100 引脚 TQFP 封装)
VDDQ = 3.3 V
VDDQ = 3.3 V
N = 36
N = 36
因此:
因此:
2
Pd = VDD IDD + α f CL VDDQ N
Pd = VDD IDD + α f CL VDDQ2 N
Pd = 3.3 V x 240 mA + 0.5 x 250 MHz x 5 pF x (3.3 V) 2 x 36
Pd = 3.3 V x 475 mA + 0.5 x 250 MHz x 5 pF x (3.3 V )2 x 36
总功耗 = 1037 mW
总功耗 = 1813 mW
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同步/NoBL® SRAM 的 65 nm 技术与 90 nm 技术间的优势
65 nm 同步 SRAM(18 Mb)
90 nm 同步 SRAM(18 Mb)
CY7C1370KV33-250AXC
CY7C1370D-250AXC
VDD = 3.3 V
VDD = 3.3 V
IDD = 200 mA
IDD = 350 mA
α = 0.5
α = 0.5
f = 250 MHz
f = 250 MHz
CL = 5 pF(100 引脚 TQFP 封装)
CL = 5 pF(100 引脚 TQFP 封装)
VDDQ = 3.3 V
VDDQ = 3.3 V
N = 36
N = 36
因此:
因此:
2
Pd = VDD IDD + α f CL VDDQ N
Pd = VDD IDD + α f CL VDDQ2 N
Pd = 3.3 V x 200 mA + 0.5 x 250 MHz x 5 pF x (3.3 V) 2 x 36
Pd = 3.3 V x 350 mA + 0.5 x 250 MHz x 5 pF x (3.3 V )2 x 36
总功耗 = 905 mW
总功耗 = 1400 mW
2.1.2
结温(TJ)
使用下面的公式计算结温:
TJ = Pd θJA + TA
其中:
θJA 为结温热阻抗
TA 为环境温度
Pd 为功耗
表 3 显示与 90 nm 器件相比,65 nm 器件具有更低的结温。
表 3. 65 nm 与 90 nm 同步/NoBL 器件间的结温(TJ)比较
65 nm 同步 SRAM (36 Mb)
90 nm 同步 SRAM (36 Mb)
CY7C1440KV33-250AXC (100 引脚 TQFP)
CY7C1440AV33-250AXC (100 引脚 TQFP)
θJA = 35.36 °C/W
θJA = 25.21 °C/W
TA = 30 °C
TA = 30 °C
Pd = 1037 mW
Pd = 1813 mW
因此:
因此:
TJ = Pd θJA + TA
TJ = Pd θJA + TA
TJ = (1037m x 35.36) + 30
TJ = (1813m x 25.21) + 30
结温 = 66.67 °C
结温 = 75.7 °C
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5
同步/NoBL® SRAM 的 65 nm 技术与 90 nm 技术间的优势
3
65 nm 同步 SRAM(18 Mb)
90 nm 同步 SRAM(18 Mb)
CY7C1370KV33-250AXC(100 引脚 TQFP)
CY7C1370D-250AXC(100 引脚 TQFP)
θJA = 37.95 °C/W
θJA = 28.66 °C/W
TA = 30 °C
TA = 30 °C
Pd = 905 mW
Pd = 1425 mW
因此:
因此:
TJ = Pd θJA + TA
TJ = Pd θJA + TA
TJ = (905m x 37.95) + 30
TJ = (1425m x 28.66) + 30
结温 = 64.34 °C
结温 = 70.84 °C
在 65 nm 同步/NoBL SRAM 中实现 ECC
通过构建存储器内核,单数据字中的多比特错误得到极大的降低。位交错(也被称为“列复用”)是防止存储器阵列发
生空间多比特错误的传统方法。根据该架构的原理,选择了 ECC 的基于 Hamming 代码的 SEC 类型。ECC 包含的四
个附加的“错误纠正位”用于每九个数据位。不能从外部主机访问这些错误纠正位,而且封装或引脚分布没有被更改。
如图 1 所示,当写入新的数据时,ECC 逻辑将计算四个错误纠正位并将它们以及其他数据位存储在存储器内核中。在
该示例中,数据输入缓冲区中的 36 位被重新组合成四个 9 位字,然后依次被传递到 ECC 编码器模块内。同样,对于
x18 和 x72 数据宽度架构,输入位分别被重新组合成两个和八个 9 位字。编码器模块生成的四个错误纠正位和各个数据
位被存储在一起。读取任何数据字地址时,将在 ECC 解码器模块内对综合征/奇偶校验位进行分析,以确定是否发生了
错误。错误纠正位确定了数据字中错误位的位置,通过翻转错误位可以纠正该数据字。
图 1. ECC 奇偶校验位的生成
36个数据位
9个数据位
ECC编码器
ECC编码器
36个数据位
9个数据位
ECC编码器
9个数据位
ECC编码器
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4个奇偶校验
位
4个奇偶校验
位
ECC奇偶校验陈列
从数据输入缓冲区
9个数据位
4个奇偶校验
位
16个奇偶校
验位
存储器阵列
4个奇偶校验
位
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6
同步/NoBL® SRAM 的 65 nm 技术与 90 nm 技术间的优势
图 2 显示的是读取 SRAM 中的数据字时,纠正单比特错误的过程。ECC 可以纠正任何或所有数据字中的单比特错误。如果
SRAM 中的数据保存的时间较长而未被改写,那么多比特位可能会发生错误。如果发生这种情况,ECC 将无法纠正多比特错
误,并且会输出被损坏的数据。赛普拉斯建议经常进行数据清理,以避免发生多比特错误。
图 2. 数据位的纠正
9个数据位
9+4位
ECC解码器
4个奇偶校验
位
4个奇偶校验
位
9个数据位
9+4位
ECC解码器
36个数
据位
4个奇偶校验
位
9个数据位
9+4位
ECC解码器
4个奇偶校验
位
到输出缓冲区
ECC奇偶校验陈列
存储器陈列
16个奇偶校
验位
36个数据位
9个数据位
9+4位
ECC解码器
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7
同步/NoBL® SRAM 的 65 nm 技术与 90 nm 技术间的优势
4
65 nm 同步/NoBL SRAM 的宽度和深度扩展
本节介绍了扩展 65 nm SRAM 的宽度和深度的方法,同使用于 90 nm 同步/NoBL SRAM 的方法相似。在扩展过程中,
使用了多个 SRAM 来扩展系统中存储器的容量。

宽度扩展:该操作将每个芯片的数据总线结合在一起,并将它作为具有更大宽度的单芯片使用。两个芯片都被使
能,而且共用了该地址线。如图 3 中所示,使用两个 I/O 宽度为 36 位的 36 Mb SRAM,将宽度扩展到 72 位并使
存储器容量扩大为 72 Mb。将两个 SRAM 结合在一起,这样地址行(A0–A19)、控制行(
、
、
、
、
、
)和芯片使能行(
、
和
)将被共用。数据行 D0–D35 连接至第一个 SRAM,数据行
D36–D71 连接至第二个 SRAM。在进行读/写操作期间,控制行将使能两个 SRAM。由于两个 SRAM 的列地址是
相同的,因此在进行通用的存储器操作期间,您可以同时访问所有 72 个存储器位的位置。
图 3. 宽度扩展
CE1
CE2
CE3
CE3
CLK
控制器
CE2
CE1
CE3
CE2
CE1
CLK
CLK
SRAM
36Mb
SRAM
36Mb
(X36)
(X36)
A0-A19
A0-A19
A0-A19
D0-D35
D0-D35
D0-D35
D36-D71
控制引脚
控制引脚
控制信号
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8
同步/NoBL® SRAM 的 65 nm 技术与 90 nm 技术间的优势

深度扩展:如果进行深度扩展,那么处理器/FPGA 可访问的列数量将增加,但 I/O 宽度保持不变。可以使用控制器
端的附加地址行来激活 SRAM 芯片中的相应列。通过驱动芯片使能(CE)引脚可以访问所需要的 SRAM。通用的
地址行(A0–A19)、控制行(
、
、
、 、
、
)和数据行(D0–D35)都被连接到每一个
芯片,具体如图 4 所示。两个 SRAM 的
引脚由控制器中的通用信号
驱动。SRAM1 的
引脚连接至高电
平,而 SRAM2 的
引脚则接地。SRAM1 的
引脚和 SRAM2 的
引脚都连接至地址行 A20。要想访问
SRAM1 中的列,需要将 A20 引脚保持为低电平,从而使能 SRAM1 芯片。要想使能 SRAM2,需要将地址行 A20
驱动为高电平,以禁用 SRAM1。如果按照这种方法使用了两个存储器,那么同步/NoBL SRAM 的总深度将增加一
倍。图 4 显示的是深度扩展的控制器到存储器引脚的连接情况。
图 4. 深度扩展
CE3
CE2
CE1
CLK
SRAM1
36Mb
(X36)
CE3
A0-A19
D0-D35
CLK
控制引脚
A20
A0-A19
控制器
D0-D35
CE3
CE2
CE1
CLK
SRAM2
36Mb
控制信号
(X36)
A0-A19
D0-D35
控制引脚
在进行宽度和深度扩展期间,请确保共享信号行之间的走线长度是相等的。应该通过合适的终端电阻实现它们的阻抗匹
配。
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同步/NoBL® SRAM 的 65 nm 技术与 90 nm 技术间的优势
5
地址引脚分配
为地址引脚分配某个特定的位位置时,读和写操作也在存储器中相同的位置上进行。每个 SRAM 都有一组引脚被定义
9
为地址,另一组则被定义为 I/O 等。 因此,没有提供正确的地址(A)引脚编号,但 A0 和 A1 引脚除外。在同步和
NoBL SRAM 中,地址 A0 和 A1 必须按顺序排列,因为这些位 被加载到 某个突发计数器内。
请考虑一个示例,其中两个相同的 SRAM 都连接着唯一一个 ASIC/FPGA。假设正在使用 SRAM2 来复制将被存储在
SRAM1 内并将被读取的数据。SRAM2 A0 和 A1 引脚的连接被颠倒,如图 5 所示。ASIC/FPGA 通过激活相应芯片使
能和控制信号对两个 SRAM 进行写操作并读取某个 SRAM。
图 5.连接到两个相同的 36 Mb 同步/NoBL SRAM 的 ASIC/FPGA
A0
A0
A1
A1
Ax
Ax
Ax
Ax
SRAM1
36 Mb
ASIC/FPGA
(x36)
DQ
DQ
DQ
DQ
芯片使能和
控制信号引脚
芯片使能和
控制信号1
A0
A1
芯片使能和
控制信号2
Ax
Ax
SRAM2
36 Mb
(x36)
DQ
DQ
芯片使能和
控制信号引脚
如果 ASIC/FPGA 在地址 A0=0 A1=1 A2=0 …. Ax=1 中启动了一个写序列,那么 SRAM1 会将数据写入到内部地址
1…..010 中,而 SRAM2 会将数据写入到内部地址 1…..001 中。 如果 ASIC/FPGA 从相同的地址(即 A0=0 A1=1
A2=0 …. Ax=1)中执行读操作,那么 SRAM1 将从 1…..010 中读取数据,SRAM2 将从 1…..001 中读取数据。 因此,
ASIC/FPGA 总是接收给定地址的预期数据,并不依赖于地址标记。这样,您可以将 ASIC/FPGA 上的地址引脚连接到
SRAM 中任意地址的引脚。必须将 A0 和 A1 地址放在所有 SRAM 中是一个例外,因为这些位会被 加载 到突发计数器
中。
ASIC/FPGA 将读/写地址加载到 SRAM 中,然后 SRAM 会使用 2 位的内部突发计数器生成后面的三个地址。A0 和 A1
的位置非常重要,因为根据 ASIC/FPGA 假设在写序列中 SRAM 的内部突发计数器生成的地址,ASIC/FPGA 会希望在
读周期中得到一定的数据序列。如果 A0 和 A1 的位置比较乱,那么可能不返回预期的数据。
9
赛普拉斯遵循了 JEDEC SRAM 引脚分布标准。JEDEC 标准没有规定应将某个特定的引脚分配给一个设置中的地址(在该设置中,
地址差异不会对功能产生影响)。
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10
同步/NoBL® SRAM 的 65 nm 技术与 90 nm 技术间的优势
例如,如果 ASIC/FPGA 以起始地址分别为 A0=1 和 A1=0,并且以数据 100、101、102 和 103 来开始线性突发写周
期,那么 SRAM1 会以地址 01 开始,并以 10、11 和 00 的顺序生成内部地址。另一方面,SRAM2 的起始地址为 10,
并生成 11、00 和 01 的内部地址。当 ASIC/FPGA 执行在地址 11 开始的突发读周期时,预期的数据将为 102、103、
100 和 101。SRAM1 会在以 11 结束的内部地址中开始访问数据,并生成数据 102、103、100,且最后生成的是
101。SRAM2 也会以 11 开始访问数据,但生成数据 101、102、103,最后生成的将是 100。这样会导致:当
ASIC/FPGA 正在访问 SRAM2 时,ASIC/FPGA 会读取错误的数据。因此,在同步突发中,各器件的 A0 和 A1 引脚连
接必须互相匹配,但剩下的地址引脚不一定匹配。
6
总结
SRAM 的 65 nm 同步/NoBL 系列提供了通过引进 ECC 来改善软错误抵抗能力的功能。同 90 nm 技术相比,它的功
耗、输入和输出电容以及结温额定值都得到降低。此外,65 nm 器件的外形形状、结构以及功能与 90 nm 器件的相兼
容。
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同步/NoBL® SRAM 的 65 nm 技术与 90 nm 技术间的优势
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4720460
PRIT
04/08/2015
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*B
4854113
WEIZ
07/27/2015
本文档版本号为 Rev*B,译自英文版 001-94077 Rev*B。
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4970002
DEVM
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同步/NoBL® SRAM 的 65 nm 技术与 90 nm 技术间的优势
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