SRAM理解的三種境界

有過面試別人的機會，看到簡歷上寫著，有過AMD實習經歷，熟悉CPU和內存。於是我問，那你畫一下SRAM和DRAM的基本cell出來吧，然後簡要說一下工作原理及特點，但是沒能說出來。我想這兩個基本單元畫不出來，不能算熟悉CPU和內存吧，畢竟它們的基本單元就用到了SRAM 和DRAM。

大家都知道，CPU是負責運算和處理的，而存儲器則是負責交換數據的。有人是這麼比喻的（場景是工程師的工作），說CPU就是工程師本人，內存就像是工作台，需要及時處理的東西需要先拿到工作台上才方便處理。那麼硬碟是什麼呢？硬碟就像柜子，存放電子器件儀器用的倉庫，存東西。

存儲器有兩個基本的構成單元，SRAM 和 DRAM，充分理解這兩個概念以及電路原理，對於學習應用CPU構架以及DDR非常有用。DRAM就是動態（Dynamic）隨機存儲器，SRAM是靜態（Static）隨機存儲器。這一動一靜的本質是什麼呢？

先說靜態隨機存儲器，它是利用如D觸發器的結構來完成數據的讀取與寫入的，資料的寫入不需要刷新動作，這樣不需要刷新動作的就成為靜態。同時，這樣使得控制器設計很簡單，存取的速度比DRAM快很多。適合於高速存儲的應用場景比如CPU的cache緩存。

理解了靜態隨機存儲器之後，動態隨機存儲器就好理解了。動態就是指利用電容的充放電來實現資料的寫入與讀取動作，因為電容會慢慢放電，如果放電到閾值以下，數據可能就會丟失了，因此需要每隔一段時間來做刷新的動作，以保持資料的完整性。最常見的就是手機和電腦的內存了。

第一層認識：一個D觸發器構成最簡單 SRAM

首先，可以從最基礎數字電路開始。有一個很基本但是深刻且直接的認識：SRAM cell最簡單的構成單元就是一個D觸發器，如下圖所示，D觸發器是數字電路系統裡面的一個基本單元。

1 bit的SRAM單元的核心電路就是一個D觸發器。當有power存在的時候，因為D觸發器的特性，數據可以保存，不需要刷新。觸發器是具有記憶功能的，具有兩個穩定的信息存儲狀態。D觸發器的特性方程是：Q(n+1)=D；也就是記憶前一個狀態，可以從RS觸發器出發，寫一下真值表，推算就很好理解了。波形圖如下所示：

第二層認識：4個單管構成的SRAM

然後，可以用基本晶體管層面來搭建一個簡單的SRAM單元，僅僅由4個NMOS管和兩個電阻構成的。

【電路詳細分析】

SRAM的整個單元具有對稱性。其中除了Q1和Q2的部分，是用來鎖存1位數字信號。Q1，Q2是傳輸管，它們在對存儲器進行讀／寫操作時完成將存儲單元與外圍電路進行連接或斷開的作用。

對單元的存取通過字線WL(Word Line)使能，字線WL為高電平時傳輸管導通，使存儲單元的內容傳遞到位線BL(Bit Line)，單元信息的反信號傳遞到位線BL#，外圍電路通過BL和BL#讀取信息。

寫操作時，SRAM單元陣列的外圍電路將電壓傳遞到BL和BL#上作為輸入，字線WL使能後，信息寫入存儲單元。

第三層認識：6管單管構成的SRAM

最後，可以從IC的製造層面來看。其實，大部分與第二層差不多，只是M2與M4用PMOS代替。SRAM中的每一bit存儲在由四個場效應管（M1, M2, M3, M4）構成兩個交叉耦合的反相器中。另外兩個場效應管（M5，M6）是存儲基本單元到用於讀寫位線（Bit Line）的控制開關。

一個SRAM基本單元有0和1兩個電平穩定狀態。SRAM 基本單元由兩個CMOS反相器組成。兩個反相器的輸入、輸出交叉連接，即第一個反相器的輸出連接第二個反相器的輸入，第二個反相器的輸出連接第一個反相器的輸入。這就能實現兩個反相器的輸出狀態的鎖定、保存，即存儲了一個位元的狀態。分析簡圖：

【詳細的電路分析】

SRAM的基本單元存在三種狀態：standby（空閑），read（讀）和write（寫）。

第一種狀態：standby

如果WL沒有選為高電平，那麼M5和M6兩個作為控制用的晶體管處於斷路狀態，也就是基本單元與位線BL隔離。而M1-M4組成的兩個反相器繼續保持其狀態。

第二種狀態：read

首先，假設存儲的內容為1，也就是Q處為高電平。讀周期初始，兩根位線BL, BL#預充值為高電平，因為讀寫狀態時，WL也會為高電平，使得讓作為控制開關的兩個晶體管M5, M6導通。

然後，讓Q的值傳遞給位線BL只到預充的電位，同時泄放掉BL#預充的電。具體來說，利用M1和M5的通路直接連到低電平使其值為低電平，即BL#為低；另一方面，在BL一側，M4和M6導通，把BL直接拉高。

第三種狀態：write

寫周期開始，首先把要寫入的狀態載入到位線BL，假設要寫入0，那麼就設置BL為0且BL#為1。然後，WL設置為高電平，如此，位線的狀態就被載入SRAM的基本單元了。具體分析過程，可以自己畫一下。

來源：麵包板博客——啟芯博主

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