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第二章 SRAM工作原理和性能指标.docx
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第二章 SRAM 工作原理和性能指标
2.1. SRAM 基本结构
SRAM 即静态随机存储器,大多是由 CMOS 管组成的挥发性静态存储器。
在掉电后存储器中所存数据就会丢失。顾名思义,随机静态存储器可以对任何
地址进行读写操作,通过锁存器的原理对数据进行保存,在无操作状况下,锁
存器处于稳态,保持数据稳定,不用进行周期性的电荷刷新。SRAM 由基本单
元构成的阵列以及外围电路构成,其中阵列的划分和外围电路的优劣对整个
SRAM 的性能有很大的影响。静态随机存取存储器(简称为静态存储器或
SRAM)是随机存储器的一种,它由静态挥发性存储单元组成的存储阵列(或
者叫内核,core)组成,其地址译码集成在片内。SRAM 速度很快而且不用刷
新就能保存数据不丢失。它以双稳态电路形式存储数据,结构复杂,内部需要
使用更多的晶体管构成寄存器以保存数据。SRAM 由于靠连续的供电来维持所
存数据的完整性,故属于易挥发性存储器。
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SRAM 电路结构与操作和一般的 RAM 类似,由存储阵列、灵敏放大器、译
码器、输入输出电路和时序控制电路五大部分组成。存储单元按行和列排列起
来就组成了 SRAM 的阵列结构,行和列分别称为“字线”和“位线”。每个存储单元
对应于一个唯一的地址,或者说行和列的交叉就定义出了地址,而且每一个地
址和某一特定的数据输入输出端口是相连的。一个存储芯片上的阵列(或者自
阵列)数目是由整个存储器的大小、数据输入输出端口数目、存储速度要求、
整个芯片的版图布局和测试要求所决定的。
如图 2-1 所示存储阵列是由存储单元(cell)构成的矩形阵列。每一个单元都
有自己独特的地址,通过外围的译码电路选中相应的单元进行读写操作。译码
电路包括行译码电路和列译码电路,其中行译码电路用来从 2
k
行中选中一行,
列译码是从 2
n
中列中选出一列。这样通过行译码列译码的共同作用来从阵列中
选出相应的单元进行读写操作。灵敏放大器和写入电路用来对数据进行读写操
作。在数据读出过程中,由于位线过长使得从单元中读出的信号很弱,需要用
灵敏放大器来放大信号,加快数据的读出过程。写入电路用来进行数据的输入。
控制电路主要用来控制数据的读写以及译码过程。通过相应的控制信号如读使
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能信号写使能信号等来控制数据的读写操作。
图 2-1 SRAM 的整体结构图
2.1.1. 存储阵列
SRAM 有很多阵列结构,不同需求的 SRAM 需要不同的阵列结构。当需要
实现一个 N 个字,且每字为 M 位的存储器时,最直接的方法是沿纵向把连续的
存储单元字堆叠起来。如下图所示。
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图 2-2 N 个字存储器的总体结构
在这种结构中,可以通过选择一根字线(S
0
-S
N-1
)来进行读写操作。也就是说
从 S
0
-S
n-1
的字线信号中,有且只能有一条字线信号为高电平。这个方法虽然比
较简单并在很小的存储器中能工作的很好,但是遇到较大的存储器时就会出现
问题。假设要实现一个 IKx8 位的存储器,使用 2.2(a)的结构就需要 lK 根选择
线,这对布线与封装都构成难以克服的困难。插入一个译码器就可以减少选择
信号的数目,如图 2-2(b)所示。通过提供一个二进制编码的地址字 A
0
一 A
k-1
来
选择一个存储字。译码器把这一地址转换成 N=2
K
根选择线,其中每次只有一
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根起作用。这一方法把例中 1K 根外部地址线的数目 转变成 10 根地址线
(
log
2
2
10
)
,从而事实上消除了布线和封装问题。
对于更大容量的存储器,如果使用上述阵列结构,由于它的高度比宽度大
太多倍,把存储单元连接到输入/输出的垂直线会过长,造成在运行时极慢。为
了解决这个问题,不但要在行方向使用译码器,在列方向上也要使用译码电路,
地址字被分成列地址和行地址。行地址可以读写一行的存储单元,而列地址可
以从所选出的行中找出一个所需要的字,如图 2-3。
这种结构应用于 64K 到 256KX 围的存储器。对于更大容量的存储器,这
种结构便会出现问题。由于阵列的长度和宽度都太大,导致字线和位线的长度
太长,所以电容和电阻变得过大而出现了严重的速度下降问题。又因为金属互
连导线 RC 延迟与长度平方成正比,所以整个存储器的访问时间同阵列宽度和
高度的平方成正比同时又因为导线电容增大,使一次读写所消耗的能量也随尺
寸增大而增加。
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资源评论
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xxiang85
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