的静态RAM,容量为2K X 8 bit.]]
,是隨機存取記憶體的一種。所謂「靜態」,是指這種存储器只要保持通電,儲存的数据就可以恆常保持。相對之下,動態隨機存取記憶體(DRAM)裡面所儲存的数据就需要週期性地更新。然而,當電力供應停止時,SRAM儲存的数据還是會消失(被称为易失性存储器),這與在斷電後還能儲存資料的ROM或快閃記憶體是不同的。
设计
的CMOS SRAM基本单元]]
SRAM由存储矩阵、地址译码器和读/写控制电路组成,容量的扩展有两个方面:位数的扩展用芯片的并联,字数的扩展可用外加译码器控制芯片的片选输入端。SRAM中的每一bit储存在由4个场效应管(M1, M2, M3, M4)构成两个交叉耦合的反相器中。另外两个场效应管(M5, M6)是储存基本单元到用于读写的位线(Bit Line)的控制开关。
静态反相器]]
反相器是一种电路器件,其输出是输入的逻辑非。如图所示的CMOS静态反相器,由两个互补的金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)组成,源极连接在高电平的是P沟道场效应管,源极连接在低电平的是N沟道场效应管。输入电路接在两个场效应管的栅极上,输出电路从两个场效应管的连接处接出。当输入低电平,则P沟道场效应管-{zh-hans:开通; zh-hant:導通}-,N沟道场效应管关闭,输出高电平。当输入高电平,则N沟道场效应管-{zh-hans:开通; zh-hant:導通}-,P沟道场效应管关闭,输出低电平。这就实现了“反相”输出。
一个SRAM基本单元有0 和 1两个电平稳定状态。SRAM基本单元由两个CMOS反相器组成。两个反相器的输入、输出交叉连接,即第一个反相器的输出连接第二个反相器的输入,第二个反相器的输出连接第一个反相器的输入。这就能实现两个反相器的输出状态的锁定、保存,即储存了1个位元的状态。
除了-{zh-hans:6管; zh-hant:6電晶體}-的SRAM,其他SRAM还有-{zh-hans:8管; zh-hant:8電晶體}-、-{zh-hans:10管; zh-hant:10電晶體}-甚至每个位元使用更多的晶体管的-{zh-hans:实现; zh-hant:實作}-。这可用于实现多端口(port)的读写访问,如顯示記憶體}-或者暫存器檔案的多口SRAM电路的实现。
一般说来,每个基本单元用的晶体管数量越少,其占用面积就越小。由于硅晶片(silicon wafer)的生产成本是相对固定的,因此SRAM基本单元的面积越小,在硅晶片上就可以制造更多的位元存储,每位元存储的成本就越低。
内存基本单元使用少于6个晶体管是可能的—如-{zh-hans:3管; zh-hant:3電晶體}-甚至-{zh-hans:单管; zh-hant:單電晶體}-,但-{zh-hans:单管; zh-hant:單電晶體}-储存单元是DRAM,不是SRAM。
访问SRAM时,字线(Word Line)加高电平,使得每个基本单元的两个控制开关用的晶体管M5与M6-{zh-hans:开通; zh-hant:導通}-,把基本单元与位线(Bit Line)连通。位线用于读取或写入基本单元的保存的状态。虽然不是必须两条-{zh-hans:取反; zh-hant:反相}-的位线,但是这种-{zh-hans:取反; zh-hant:反相}-的位线有助于改善雜訊-{zh-hans:容限; zh-hant:容許值}-.
与动态存储器(DRAM)相比,SRAM的带宽有很大改进—由于两條位线是反相,这种差分信号使得SRAM的抗雜訊干扰能力很强。而DRAM的位线连接到存储电容,受困于电荷共享(charge sharing)使得其位线信号上下波动。另一项差别使得SRAM更快是其-{zh-hans:地址线; zh-hant:位址線}-各位元是同时工作选择出目标存储单元的字线,而DRAM往往为了降低成本,是先送出低半段的-{zh-hans:地址线; zh-hant:位址線}-的各-{zh-hans:比特; zh-hant:位元}-,然后再送出高半段的-{zh-hans:地址线; zh-hant:位址線}-的各bit,这降低了DRAM封装的-{zh-hans:地址; zh-hant:位址}-引脚的数量。
有m條-{zh-hans:地址线; zh-hant:位址線}-与n條-{zh-hans:数据线; zh-hant:資料線}-的SRAM,其存储容量是2m个-{zh-hans:字; zh-hant:字元}-(word),2m×nbit.每个-{zh-hans:字; zh-hant:字元}-的长度至少是64bit。
SRAM操作
SRAM的基本单元有3种状态:电路处于-{zh-hans:空闲; zh-hant:閒置}-() 、读取()与寫入()。SRAM的读取或写入模式必须分别具有可读()与写入稳定()。
;-{zh-hans:空闲; zh-hant:閒置}-
如果字线没有被选为高电平,那么作为控制用的M5与M6两个晶体管处于断路,把基本单元与位线隔离。由M1 – M4组成的两个反相器继续保持其状态,只要保持与高、低电平的连接。
;读取
假定储存的内容为1,即在Q处的电平为高。读取周期開始時,两條位线-{zh-hans:预充值; zh-hant:初始值}-为逻辑1,随后字线WL-{zh-hans:充高; zh-hant:提高}-电平,使得两个访问控制晶体管M5与M6通路。第二步是保存在Q的值與位元線BL的-{zh-hans:预充值; zh-hant:初始值}-相同,所以BL保持邏輯1,而Q與BL的-{zh-hans:预充值; zh-hant:初始值}-不同,使得BL經由M1与M5放電而變成邏輯0(即Q的高电平使得晶体管M1通路)。在位线BL一侧,晶体管M4与M6通路,把位线连接到VDD所代表的逻辑1(M4作为P沟道场效应管,由于栅极加了Q的低电平而M4通路)。如果储存的内容为0,相反的电路状态将会使BL为1而BL为0。只需要BL与BL有一个很小的电位差,读取的放大电路将会辨识出哪條位线是1哪條是0。敏感度越高,读取速度越快。
;寫入
写入周期開始時,把要写入的状态加载到位线。如果要写入0,则设置BL为1且BL为0。随后字线WL加载为高电平,位线的状态被载入SRAM的基本单元。这是-{zh-hans:通过; zh-hant:透過}-位线输入驱动能力设计的比基本单元相对较弱的晶体管更为强壮,使得位线状态可以覆盖基本单元交叉耦合的反相器的以前的状态。
总线行为
访问时间为70ns的RAM在位址設定完成且有效之後,會在70ns之內將資料輸出。数据将继续保持有效约5-10ns。起、落时间将影响有效时间槽()约5ns。如果先读入低半段地址,将会多耗费30ns。
应用与使用
特性
SRAM是比DRAM更为昂贵,但更为快速、非常低功耗(特别是在空闲状态)。因此SRAM首选用于带宽要求高,或者功耗要求低,或者二者兼而有之。SRAM比起DRAM更为容易控制,也更是随机访问。由于复杂的内部结构,SRAM比DRAM的占用面积更大,因而不适合用于更高储存密度低成本的应用,如PC内存。
时钟频率与功耗
SRAM功耗取决于它的访问频率。如果用高频率访问SRAM,其功耗比得上DRAM。有的SRAM在全带宽时功耗达到几个瓦特量级。另一方面,SRAM如果用于温和的时钟频率的微处理器,其功耗将非常小,在空闲状态时功耗可以忽略不计—几个微瓦特级别。
SRAM用于:
- 通用的产品
* asynchronous*界面,例如28-{zh-hans:针; zh-hant:腳}-32Kx8的chip(通常命名为XXC256),以及类似的产品最多16 Mbit每片
* synchronous*界面,通常用做高速缓存(cache)以及其它要求突发传输的应用,最多18 Mbit(256Kx72)每片
- -{zh-hans:集成; zh-hant:整合}-于芯片内
** 作为微控制器的RAM或者cache(通常从32 bytes到128 kilobytes)
** 作为x86等微處理器的快取(如L1、L2、L3)
** 作为寄存器(参见寄存器堆)
** 用于特定的ICs或ASIC(通常在几千字节量级)
** 用于FPGA与CPLD
嵌入式应用
工业与科学用的很多子系统,汽车电子等等都用到了SRAM。现代设备中很多都嵌入了几千字节的SRAM。实际上几乎所有实现了电子-{zh-hans:用户界面; zh-hant:使用者介面}-的现代设备都可能用上了SRAM,如玩具。数码相机、手机、音响合成器等往往用了几兆字节的SRAM。 -{zh-hans:实时信号处理电路; zh-hant:即時訊號處理電路}-往往使用-{zh-hans:双口; zh-hant:雙埠}-(dual-ported)的SRAM。
用于计算机
SRAM用于PC、工作站、路由器以及-{zh-hans:外设; zh-hant:外接設備}-:内部的CPU高速缓存,外部的突发模式使用的SRAM缓存,硬盘缓冲区,路由器缓冲区,等等。LCD显示器或者打印机也通常用SRAM来缓存数据。SRAM做的小型缓冲区也常见于CDROM与CDRW的驱动器中,通常为256 KiB或者更多,用来缓冲音轨数据。线缆调制解调器及类似的连接于计算机的设备也使用了SRAM。
爱好者
搭建自己的处理器的业余爱好者更愿意选用SRAM,这是由于其易用性的工作界面。没有DRAM所需的-{zh-hans:刷新; zh-hant:更新}-周期;-{zh-hans:地址; zh-hant:位址}-总线与資料总线直接访问而不是像DRAM那样地址、数据信号共用数据线,通过多路复用器访问。SRAM通常只需3个控制信号:Chip Enable (CE), Write Enable (WE)与Output Enable(OE)。对于同步SRAM,还需要时钟信号(Clock,CLK)。
SRAM的类型
非揮發性SRAM
非揮發性SRAM(Non-volatile SRAM,nvSRAM)具有SRAM的标准功能,但在失去电源供电时可以保住其資料。非揮發性SRAM用于网络、航天、医疗等需要关键场合—保住資料是关键的而且不可能用上电池。
异步SRAM
异步SRAM(Asynchronous SRAM)的容量从4 Kb到64 Mb。SRAM的快速访问使得异步SRAM适用于小型的cache很小的嵌入式处理器的主内存,这种处理器广泛用于工业电子设备、测量设备、硬盘、网络设备等等。
根据晶体管类型分类
*双极性结型晶体管(用于TTL与ECL)—非常快速但是功耗巨大
*MOSFET(用于CMOS)—本文详细介绍的类型,低功耗,现在应用广泛。
根据功能分类
*异步—独立的时钟频率,读写受控于-{zh-hans:地址线; zh-hant:位址線}-与-{zh-hans:控制使能; zh-hant:控制致能}--{zh-hans:信号; zh-hant:訊號}-。
*同步—所有工作是时钟脉冲边沿开始,-{zh-hans:地址线; zh-hant:位址線}-、-{zh-hans:数据线; zh-hant:資料線}-、控制线均與时钟脉冲配合。
根据特性分类
*零总线翻转(Zero bus turnaround,ZBT)—SRAM总线从写到读以及从读到写所需要的时钟周期是0
*同步突发SRAM(synchronous-burst SRAM,syncBurst SRAM)—
*DDR SRAM—同步、单口读/写,双数据率I/O
*(Quad Data Rate (QDR) SRAM)—同步,分开的读/写口,同时读写4个字(word)。
根据触发类型
- 二进制計算機SRAM
- 三进制計算機SRAM
参见
- DRAM,包括PSRAM (pseudo-static RAM)
- 闪存
- 晶体管
参考文献
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