一、引子

在上一个小节，我们了解了存储芯片的基本原理，学习了如何存储二进制的0和1，如何根据一个地址来访问存储字。

这一小节，会介绍两种特定的存储芯片SRAM和DRAM。

之前，我们知道了RAM--随机访问存储器：当我们指定某个存储单元的地址，这个存储单元的读取速度并不会因为存储单元的物理位置而改变。

接下来，将逐步介绍下面的内容：

二、存储元件

1.DRAM芯片

上一小节介绍的芯片，其实就是DRAM芯片。见下图：

（详情请戳：3.2主存储器的基本组成）

DRAM芯片可以用于制作主存，上图右侧的内存条上就是DRAM芯片。

==DRAM芯片和SRAM芯片的核心区别就是：存储元件不一样。==

<1> DRAM芯片是用栅极电容（电容的充放电）来存储和读取信息。

<2> SRAM芯片是用双稳态触发器来存储信息的。

:point_right: 接下来，看一下这两种存储元件的区别。

（1）栅极电容

看一下下面这个存储元：

上一节说过，如果给这个字选择线（存储元件的左侧）加一个5V的电压（假设5V为阈值），就会使MOS管接通。如下图：

如果此时数据线上也加了一个5V的高电平（也就是给了一个二进制的1），那么这个5V的高电平电压会加到电容上方的金属板上，而下方的金属板由于接地，所以下方金属板电压为0。如下图：

1）存储

当电容的两块金属板产生压差的时候，就会导致正电荷在上面的金属板聚集，负电荷在下面的金属板聚集。如下图：

这样就完成了二进制1的存储。

如果从数据线输入了一个低电平信号（0），由于电容的两块金属板之间没有电压差，此时电容不会存储电荷。

这样就完成了二进制0的存储。

如下：

2）读出

接下来看一下读出1和读出0如何实现。

<1> 如果此时电容里面存的是1，就是此时电容里面存储了电荷。

当字选择线接了高电平（比如5V）后，MOS管接通，这些电荷就会顺着图中蓝线从绿线（数据线）输出。

如果是二进制的1，那么数据线一端可以检测到电流信号。如下：

<2> 如果此时电容里面存储的是0，就是此时电容里面没有存储电荷。

当字选择线接了高电平（比如5V）后，MOS管接通，数据线一端也不会检测到电流的流出。如下：

所以，用上述的方式就可以检测读出的是1还是0。

DRAM存储元用栅极电容来存储二进制0和1。

（2）物理特性

<1> 栅极电容里面，如果存储的是二进制的1，那么电容上面会存储一些电荷，接通MOS管读出数据的时候，电容里面存储的电荷就会被释放了（电容放电）。

那么电容放电之后，没有电荷了，数据就会由1变为了0。

所以，读出栅极电容里面存储的信息之后，栅极电容里面存储的信息就会被改动，被破坏。就是所谓的破坏性读出。里面的信息会被损坏（1->0）。

为了解决这个问题，需要进行重写操作，又叫再生，就是给电容重新进行一次充电。

<2> 接下来解释一下刷新的概念。

对于栅极电容。虽然电容里面会存放电荷，但是电荷会慢慢流失，那么同样也会使电容里面的数据出现误差（1->0）。通常电容里的电荷只能维持2ms的时间，即使不断电，2ms后信息也会消失。

由于电容里面的电荷只能存在2ms，那么在2ms之内必须刷新一次（给电容充电）。

（3）DRAM刷新

那么DRAM如何进行刷新操作呢？

先来看一下几个问题。

<1> 多久需要刷新一次？

刷新周期：一般为2ms。

由于电容只能保持2ms的电荷，所以必须在2ms之内刷新一次电荷。

<2> 每次刷新多少存储单元？

以行为单位，每次刷新一行存储单元。

每个存储单元会由多个存储元构成，所以每次刷新存储单元的次数应该以行为单位，每次刷新一行。

<3> 什么叫一行存储单元？

上一小节，我们给出的存储器模型中，给出n位地址后，译码器会将n位地址转换成其中某一条选通线的高电平信号。

如果总共有n位地址，那么译码器的输出端会有2^n根选通线。

所以，按照之前的方案，如果有20位地址，那么选通线的数量就是2^20=1M。

也就是说，译码器的输出端需要接1M根选通线，大概有一百万。在译码器端接一百万根线，显然工程量很大。

为了解决这个问题，可以把存储单元从一维排列转换为二维排列，也就是将它们变为由存储单元构成的矩阵。如下图：

==n位地址会被拆成行地址和列地址，分别送给行地址译码器和列地址译码器。==

这样的话，每个译码器只需要处理n/2位地址信息。

原本译码器需要处理20位地址信息，对应2^20=1M根选通线。那么现在将20位地址信息分别拆分，一半行地址，一半列地址，那么每个译码器的选通线就是2^10=1K根选通线，1024根选通线在工程上很容易实现。

随着存储容量的增大，现在的存储器甚至还会有三维排列，原理类似。

所以用行列地址的目的就是减少选通线的数量，使电路变得更简单和清晰。

:question: 如何根据地址来选中某一个存储单元？

将上面的二维图示进行简单连线之后，得到下图：

如果此时要访问的地址是0000 0000。

①左边的译码器

译码器的输入端输入00000000，那么它的第0根选通线会被选通（选中0号存储单元）。

②右边的译码器

地址会被分为前半部分（0000）和后半部分（0000），前半部分作为行地址，送给行地址译码器；后半部分作为列地址，送给列地址译码器。

那么，行地址译码器的第0根选通线会被选通（右图蓝线），列地址译码器的第0根选通线也会被选通（右图红线）。

一个存储单元，只有行和列都被选通才能进行读和写。

<4>如何刷新

上面我们已经知道了什么叫一行存储单元。

只要我们给出一个行地址，那么行地址译码器就会选中一整行存储单元。

每一次刷新操作就会刷新一整行！

会有一个专门的刷新电路支持，刷新电路会直接读出一整行存储单元的信息，然后重新写入（重新给电容充电）。

由于刷新一整行本质上就是做了一次读操作，所以它的耗时与我们读写周期的耗时差不多。

所以，==进行一次刷新操作需要占用1个读/写周期，每次可以刷新一整行的存储单元。==

<5> 什么时候刷新

假设DRAM内部结构排列成128*128（128行、128列）的形式，读/写周期（存取周期）0.5us。

电容可以支持的最长时间是2ms，2ms对应4000个读写周期。

1ms=1000us

2ms=2000us

2000/0.5=4000

有128行需要刷新，每次刷新需要0.5us时间。可以有如下几种策略。

①第一种

这种方式，2ms时间内，会有2000次刷新操作。（2ms/1us=2000）

这两千次刷新操作，足够在2ms内给128行的存储单元每一行都刷新很多次。

②第二种

2ms可以分为4000个读写周期（2ms/0.5us=4000），前面3872个周期读写，后面128个周期分别刷新128行。

③第三种

将每一行的刷新分散到不同的时间段。

在实际应用中，可以利用CPU不需要访问存储器的这段时间进行刷新。比如CPU取得指令，并对它译码的阶段。

DRAM刷新是由存储器独立完成的，不需要CPU控制。

（4）DRAM地址线复用

上面我们已经知道了什么叫行地址，什么叫列地址。

行地址和列地址的信息会同时丢给行列译码器，即同时送出行列地址。

地址有多少位，就需要涉及多少根的地址线。

DRAM的存储容量会比较大，有可能需要32维地址，也就是需要32根地址线。

为了让地址线对应的电路变得更加简单，DRAM一般会采用地址线复用技术。

本来需要有n位地址线来传送行和列地址，但是采用地址线复用技术之后，可以把行地址和列地址通过前后两次分别进行传输。

也就是说，只需要2/n条地址线就可以。第一次将行地址送入行地址缓冲器，第二次将列地址送入列地址缓冲器里面。

然后在控制器的控制下，行地址和列地址再送给译码器进行译码处理。

原本需要n位引脚来接收n位地址，现在只需要n/2个引脚就可以，先接收行地址，再接收列地址。也就是分两次送行列地址。

如果要考察DRAM芯片引脚个数的话，那么就要考虑DRAM芯片的地址线采用了复用技术，也就是和地址对应的引脚数目应该 减半。

2.SRAM芯片

（1）双稳态触发器

SRAM芯片的存储元就是如下的双稳态触发器：

触发器相关的知识在数字电路那门课学习的，这里只做简单的了解。

这个双稳态触发器总共有6个MOS管，图中用M1、M2、M3、M4、M5、M6表示。

这个触发器的存储元可以呈现出两种稳定的状态：

<1> A点高电平，B点低电平--->对应二进制的1

<2> A点低电平，B点高电平--->对应二进制的0

1）存储

写入数据很简单，比如现在想要写入0。

那么只需要给左边的绿线（BL）加上一个低电平信号，右边的绿线（BLX）加上一个高电平信号，这样就可以使得触发器A是低电平，B是高电平。

这个状态对应的就是二进制的0。如下：

写入二进制的1也是类似。

2)读出

双稳态触发器需要有两根数据线来读出0和1。

如果此时双稳态触发器里面存的是二进制的1，当我们给自选择线接通之后（给了一个高电平电压）。右边的绿线（BLX）就会输出一个低电平信号。

如果存储的是二进制的0，会由左边的线（BL）输出低电平信号，而右边的线不会输出任何电信号。

那么，可以根据左右两条数据线哪一条输出了低电平信号，来判断触发器里面原本存的是二进制的0还是1。

（2）物理特性

<1> 双稳定触发器有两种稳定的状态，当我们读出数据之后，触发器的状态还是非常稳定的。

所以它的读操作是非破坏性读出，不需要进行重写操作。

<2> 对于双稳态触发器，只要给触发器（VDD）不断供电，只要不断电，触发器的状态就不会被改变。保存的0或1是不会消失的。所以双稳态触发器不需要刷新操作。

3.对比

将栅极电容和双稳态触发器对比一下，会有不同的地方。

<1> 栅极电容的数据线（绿色线）只有一根；双稳态触发器的数据线有两根。

<2> 栅极电容放电信息会被破坏，就是破坏性读出，读出后应有重写（再生）操作；双稳态触发器读出数据，触发器状态保持稳定，是非破坏性读出，无需重写。

<3> 栅极电容读写速度更慢；双稳态触发器读写速度更快。

<4> 栅极电容只需要一个电容和一个MOS管即可，所以它的每个存储元 制造成本更低，集成度更高，功耗低（电路简单）；双稳态触发器需要六个MOS管，所以它的每个存储元制造成本更高，集成度更低，功耗大（电路复杂）。

如果一块芯片面积固定不变，栅极电容的数量会比双稳态触发器分布更多更密集，就是集成度更高。

两者都是易失性存储器（断电后消失），不要和破坏性读出弄混淆！

SRAM集成度低，存储容量更小，对应的行列地址位数也会更小。所以对于SRAM这种容量小的芯片，通常会把行列地址同时送过去。

DRAM芯片其实已经过时了，目前主存储器主要使用SDRAM芯片。（比如DDR3、DDR4）