什么是RAM?
RAM(Random Access Memory)中文是隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。為什么要強(qiáng)調(diào)隨機(jī)存儲(chǔ)呢?因?yàn)樵诖酥埃蟛糠值拇鎯?chǔ)器都是順序存儲(chǔ)(Direct-Access),比較常見(jiàn)的如硬盤(pán),光碟,老式的磁帶,磁鼓存儲(chǔ)器等等。隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的特點(diǎn)是其訪問(wèn)數(shù)據(jù)的時(shí)間與數(shù)據(jù)存放在存儲(chǔ)器中的物理位置無(wú)關(guān)。
RAM的另一個(gè)特點(diǎn)是易失性(Volatile),雖然業(yè)界也有非易失(non-volatile)的RAM,例如,利用電池來(lái)維持RAM中的數(shù)據(jù)等方法。
RAM主要的兩種類(lèi)別是SRAM(Static RAM)和DRAM(Dynamic RAM)。
SRAM和DRAM的區(qū)別
SRAM的S是Static的縮寫(xiě),全稱(chēng)是靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。而DRAM的D是Dynamic的縮寫(xiě),全稱(chēng)是動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。這兩者有什么區(qū)別呢?首先我們看看SRAM的結(jié)構(gòu),你可以網(wǎng)上搜索一下有很多資料介紹SRAM的,比較出名的是6場(chǎng)效應(yīng)管組成一個(gè)存儲(chǔ)bit單元的結(jié)構(gòu):
工作原理相對(duì)比較簡(jiǎn)單,我們先看寫(xiě)0和寫(xiě)1操作。
寫(xiě)0操作
寫(xiě)0的時(shí)候,首先將BL輸入0電平,(~BL)輸入1電平。
然后,相應(yīng)的Word Line(WL)選通,則M5和M6將會(huì)被打開(kāi)。
0電平輸入到M1和M2的G極控制端
1電平輸入到M3和M4的G極控制端
因?yàn)镸2是P型管,高電平截止,低電平導(dǎo)通。而M1則相反,高電平導(dǎo)通,低電平截止。
所以在0電平的作用下,M1將截止,M2將打開(kāi)。(~Q)點(diǎn)將會(huì)穩(wěn)定在高電平。
同樣,M3和M4的控制端將會(huì)輸入高電平,因NP管不同,M3將會(huì)導(dǎo)通,而M4將會(huì)截止。Q點(diǎn)將會(huì)穩(wěn)定在低電平0。
最后,關(guān)閉M5和M6,內(nèi)部M1,M2,M3和M4處在穩(wěn)定狀態(tài),一個(gè)bit為0的數(shù)據(jù)就被鎖存住了。
此時(shí),在外部VDD不斷電的情況下,這個(gè)內(nèi)容將會(huì)一直保持。
下面通過(guò)動(dòng)畫(huà)來(lái)觀察一下寫(xiě)0的過(guò)程。
寫(xiě)1操作
這里不再重復(fù),大家可以自己推演一下過(guò)程。這里仍然提供寫(xiě)1過(guò)程動(dòng)畫(huà)。
讀操作
讀操作相對(duì)比較簡(jiǎn)單,只需要預(yù)充BL和(~BL)到某一高電平,然后打開(kāi)M5和M6,再通過(guò)差分放大器就能夠讀出其中鎖存的內(nèi)容。
DRAM(Dynamic RAM)是指動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。與SRAM最大的不同是,DRAM需要通過(guò)刷新操作來(lái)保持其存儲(chǔ)的內(nèi)容。讓我們先來(lái)看看其一個(gè)bit存儲(chǔ)單元(Cell)的結(jié)構(gòu):
其核心部件是4號(hào)位的電容C,這個(gè)電容大小在pF級(jí)別,用來(lái)存儲(chǔ)0和1的內(nèi)容。由于電容會(huì)慢慢放電,其保存的內(nèi)容將會(huì)隨時(shí)間推移而慢慢消失。為了保證其內(nèi)容的完整性,我們需要把里面的內(nèi)容定期讀出來(lái)再填寫(xiě)回去。這個(gè)操作稱(chēng)為刷新操作(Refresh)。
其寫(xiě)操作相對(duì)簡(jiǎn)單:(我們以寫(xiě)1為例)
當(dāng)需要寫(xiě)1的時(shí)候,先將BL(Bit Line)輸入高電平1,然后選中對(duì)應(yīng)的Word Line(同一時(shí)間將只有一根WL被選中),打開(kāi)相應(yīng)的MOS管,如圖中所示3號(hào)位。此時(shí),外部驅(qū)動(dòng)能力很強(qiáng),通過(guò)一定的時(shí)間,4號(hào)位的電容將會(huì)被充滿。此時(shí),關(guān)閉3號(hào)位的MOS管。內(nèi)容1將在一定時(shí)間內(nèi)被保存在4號(hào)位的電容中。寫(xiě)0的操作與之相反,不同的是將4號(hào)位電容中的電荷通過(guò)Bit Line放光。然后關(guān)閉3號(hào)位的MOS管,鎖存相應(yīng)數(shù)據(jù)。
而讀操作相對(duì)來(lái)說(shuō),較為復(fù)雜。我們可以觀察到4號(hào)位電容非常小,只有pF級(jí)別,而B(niǎo)it Line往往都很長(zhǎng),上面掛了非常多個(gè)存儲(chǔ)單元(cell),我們可以通過(guò)5號(hào)位的電容來(lái)表示。所以當(dāng)我們直接把3號(hào)位的MOS管打開(kāi),Bit Line上將基本看不到什么變化。
于是有人提出是否能夠采用放大器來(lái)放大4號(hào)位電容的效果。結(jié)構(gòu)圖如下圖所示:
我們可以定Vref為1/2的VDD電壓,在讀取電容里數(shù)據(jù)之前,我們先將所有Bit Line預(yù)充1/2 VDD的電壓。然后,打開(kāi)Word Line讓選中的電容連接到Bit Line上面,如果原本的內(nèi)容是1,則Bit line的總電壓將會(huì)小幅攀升。否則,則會(huì)小幅下降。再通過(guò)差分放大器,將結(jié)果放大從而實(shí)現(xiàn)讀操作。
這套方案是可以工作的,但Bit Line的數(shù)量不能太大。否則會(huì)導(dǎo)致距離Vref供電處較遠(yuǎn)的放大器Vref的值偏低,而導(dǎo)致差分放大器工作異常。同時(shí),對(duì)于所謂的1/2 VDD預(yù)充,也存在不準(zhǔn)的情況。
為了解決這個(gè)問(wèn)題,有人提出,不如將原來(lái)的一根Bit Line設(shè)計(jì)成一對(duì)Bit Line,當(dāng)其中一根Bit Line上的Cell被選中時(shí),另一根Bit Line將不會(huì)有Cell被選中。從而沒(méi)有Cell被選中的Bit Line可以充當(dāng)放大器的Vref輸入,其長(zhǎng)度,負(fù)載以及寄生參數(shù)將會(huì)和另一根Bit Line十分一致,這樣一來(lái),放大器的工作就更加穩(wěn)定了。結(jié)構(gòu)圖如下所示:
當(dāng)讀操作之前,我們先將1/2 VDD電壓同時(shí)注入到BL和(~BL)上,這個(gè)動(dòng)作被稱(chēng)為(pre-charge預(yù)充電)然后其中一根作為參考,來(lái)觀察另一根Bit Line在某個(gè)Cell導(dǎo)通后的變化。
最后,我們總結(jié)一下區(qū)別:
SRAM成本比較高(6個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管組成一個(gè)存儲(chǔ)單元)
DRAM成本較低(1個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管加一個(gè)電容)
SRAM存取速度比較快
DRAM存取速度較慢(電容充放電時(shí)間)
SRAM一般用在高速緩存中
DRAM一般用在內(nèi)存條里
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原文標(biāo)題:終于!有人講懂了DRAM和SRAM!
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