前言

在芯片設計時，通常需要用到各種類型的存儲單元，用以臨時或者永久地存儲數據。根據應用場合的不同，所用到的存儲單元也不同。本文對常見的幾個存儲單元進行了介紹，并簡述了其工作原理和特點。需要特別說明的是，由于作者為數模混合集成電路工程師，因此本文是以作者的角度進行介紹和分析的，側重于一些類如ADC數據處理，片上修調等小規模電路應用場合。如果讀者從事大規模數字集成電路的設計，那么本文的幫助可能非常有限，請您查閱更為專業的文獻。

寄存器

圖1 寄存器

寄存器是一個芯片設計中的常見模塊，例如一個ADC芯片，外部對其配置的數據，ADC轉換結果，ADC轉換結果計算時的中間數據等通常都是用寄存器進行存儲的。我們在寫verilog時，也常常定義寄存器類型(reg型)的數據。如圖1所示，寄存器通常由D觸發器實現，當時鐘上升沿到來時，如果需要保存當前D觸發器的數據，那么輸入MUX將DOUT重新輸入D觸發器，輸出因此保持不變。如果要改變寄存器值，輸入MUX將要保存的新的輸入DIN輸入D觸發器。上述兩個過程實現了數據的存儲和寫入。寄存器數據在掉電后當然也就不復存在。

寄存器在數字綜合時通過調用標準單元庫中的DFF實現。

SRAM

圖2 SRAM

SRAM中文名稱為：靜態隨機訪問存儲器，它的靜態，是相對于DRAM而言的，表示在通電時不需要動態刷新就可以持續保存數據，但掉電后數據還是會消失。圖2為一個6T SRAM存儲單元的電路圖，圖中M1~M4組成了兩個交叉耦合的反相器對，用來鎖存數據。當讀數據時，字線WL變高使得M5和M6導通，將數據加載到位線上。當寫入數據時，同樣WL變高使得M5和M6導通，但此時位線被外部寫入的數據驅動，外部數據的驅動能力足夠強以使得反相器對鎖存的數據被改變，新的數據被SRAM存儲。

對比寄存器，SRAM是一種更為精簡且專用的鎖存數據存儲結構，存儲密度也更高。SRAM通常需要使用fab廠商提供的生成工具產生(Memory Compiler)。

DRAM

圖3 DRAM

DRAM中文名稱為：動態隨機訪問存儲器，如圖3所示，數據被存儲在小電容C上，由于每次讀取都會讓電容上的電荷泄露一些，且即使不讀取，電容上的電荷也會慢慢泄露，因此DRAM需要動態刷新來保持數據，這也是DRAM名字的由來。這樣的實現方式雖然可以讓它單元面積比SRAM小很多，但動態刷新使得其比SRAM浪費更多的空閑功耗。DRAM寫入時通過位線對電容充放電即可。

熔絲OTP

上述三種存儲單元均為掉電易失型存儲，對芯片中的一些臨時數據進行儲存。但是，芯片中一些數據，例如修調配置數據等，需要在出廠時一次寫入且一直保存，上面三種存儲單元顯然不具備這樣的功能。存儲這樣的數據需要采用掉電不易失存儲器，比如MTP,OTP,Flash等等，本文簡單介紹一下由熔絲組成的OTP。

圖4 熔絲版圖(from eetop)

熔絲一般為很細的金屬或多晶硅，如圖4所示，當熔絲流過很大的電流時，將會被燒斷。熔絲的燒寫可以用額外的PAD或者通過輔助的數字控制+燒寫電路進行，前者只能在封裝前進行，后者可在封裝后進行。

圖5 熔絲OTP

圖5為一個簡單的熔絲OTP電路圖，其中為了保證低功耗，R為阻值很大的電阻。熔絲默認不燒斷，因此上電后A點電壓為電源值，即邏輯高，反相器輸出為邏輯低，也就是熔絲電路默認值為邏輯低。若熔絲被燒斷，上電后A點電壓為地，也就是邏輯低，反相器輸出為邏輯高。因此，可通過是否對熔絲燒寫控制該OTP的輸出。

EPROM和EEROM

EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)，中文名為：可擦除可編程只讀存儲器，它是一種可重寫的存儲器，并且是非易失性的。它通過EPROM編程器進行編程，EPROM編程器能夠提供比正常工作電壓更高的電壓對EPROM編程。一旦經過編程，EPROM只有在強紫外線的照射下才能夠進行擦除。為了進行擦除，EPROM的陶瓷封裝上具有一個小的石英窗口，這個石英窗口一般情況下使用不透明的粘帶覆蓋，當擦除時將這個粘帶揭掉，然后放置在強紫外線下大約20分鐘。

EEPROM(Electrically Erasable Programmable read-only Memory), 是一種電可擦除可編程只讀存儲器，并且其內容在掉電的時候也不會丟失。在平常情況下，EEPROM與EPROM一樣是只讀的，需要寫入時，在指定的引腳加上一個高電壓即可寫入或擦除，而且其擦除的速度極快！通常EEPROM芯片又分為串行EEPROM和并行EEPROM兩種，串行EEPROM在讀寫時數據的輸入/輸出是通過2線、3線、4線或SPI總線等接口方式進行的，而并行EEPROM的數據輸入/輸出則是通過并行總線進行的。

總結

本文簡單介紹了寄存器，SRAM，DRAM，熔絲OTP，EPROM，EEPROM這幾種芯片中常用存儲單元的原理和特點，限于筆者目前水平有限，更多存儲單元希望可以在之后補充說明。對本文請讀者們多多指正。