DRAM的工作原理 DRAM存儲數(shù)據(jù)和讀取數(shù)據(jù)過程說明

本文要點提示：

1. DRAM 的工作原理圖文解說，包括讀寫以及存儲；
2. 揭秘DRAM便宜但SRAM貴之謎。

內(nèi)存應(yīng)該是每個硬件工程師都繞不開的話題，稍微復(fù)雜一點的系統(tǒng)都需要用到DRAM，并且DRAM是除CPU之外，最為復(fù)雜也最貴的核心部件了，其設(shè)計，仿真，調(diào)試，焊接，等等都非常復(fù)雜，且重要。對DRAM使用的熟練情況，直接關(guān)系到系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)劣。本文試著用比較通俗系統(tǒng)的圖片和文字來解說，DRAM中一個基本電路單元的工作原理。

DRAM(Dynamic Random Access Memory)，即動態(tài)隨機存儲器，最常見的應(yīng)用場景是電腦和手機的內(nèi)存，是目前的電路系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，本文會細(xì)致且較為形象的說明DRAM存儲數(shù)據(jù)以及讀取數(shù)據(jù)的全過程。

1.單管構(gòu)成的DRAM最小單元

單管DRAM是目前大容量存儲器唯一的選擇方案。電路構(gòu)成上包括一個讀寫開關(guān)管和一個存儲電容器，如下圖所示。利用存儲電容器存儲數(shù)據(jù)，如果存儲電容器上存有電荷，則表示存儲單元存儲1，否則存儲O。

首先，要知道兩個前提：其一，施加到存儲電容上的電壓為1/2的電源電壓（Vcc/2）；其二，由于電子是帶負(fù)電荷，因此，電子越多處電勢就越低。為了便于理清概念，我們把水庫頂部電勢定為0V，水庫底部的電勢定為Vcc。

存儲單元的三個基本操作

三個基本操作分別是存儲資料，寫入資料以及讀取資料三種。同樣，便于理解，將這三種過程用水庫存儲放掉水來類比，稍微形象一些。

存儲資料

資料存儲的示意圖如下所示，也就是當(dāng)水庫閘門關(guān)閉時（行地址線路Vth=0V），水庫中的水無法流出，上游的水也無法流入，存儲在水庫中的水位保持不變，因此可以實現(xiàn)存儲資料的目的。水位的高低就用高低電平來表示。

寫入資料

資料的寫入可以分為寫入“0”的情形和寫入“1”的情形兩種。以寫入0的情形來說明。

具體順序是：

首先，由于之前可能有資料，水庫中可能是滿水或者缺水空水的的狀態(tài)。

然后，將上游水道（列地址選路）中水位上升到滿水，相當(dāng)于低電位狀態(tài)（列地址線路Vcc=0V）。最后，利用行地址線路控制（Vth=高電平）將上游水閘門打開，由于上游水道（列地址線路Vcc=0V）水位全滿為高水位狀態(tài)，因此根據(jù)水庫中水位狀態(tài)，會將水池填滿，使得水庫變?yōu)楦咚唬ǖ碗娖綘顟B(tài)0）。

類比，貨物過運河水閘的情形也非常容易理解，大家自行腦補。

讀取資料

DRAM存儲單元中讀取資料時，一般使用的列地址選路1/2VCC預(yù)充電技術(shù)。以讀取0為例。

首先，水庫中水位全滿（電位0V）,水道中水位先預(yù)設(shè)在2.5V；

然后，打開水閘，也就是行地址線路為高電平，使得水庫中的水回流到水道（列地址線路）中，由于水庫中水量很小，因此只能使得水道中水位微幅上升。當(dāng)感應(yīng)放大器檢測到水道的水位產(chǎn)生delta的變化時，就可以辨別出水庫（電容）中資料為0。

其中，水位的變化為：delta=5/2(1+Cb/Cs)，水道（列地址線路）的電容量大于水庫（行地址線路）的容量。具體過程遠比這復(fù)雜，但是通過這種類比可以了解到工作原理，夠用了。

哦，對了，差了忘記了，如果沒有外界水道中的水來補充水庫，那么水庫中的水位由于蒸發(fā)、滲透，水量會慢慢減少，最后干涸。因此，原理圖中電容也是一樣，需要隔一段時間檢測刷新，充電，這就是動態(tài)的根本原因。

2.SRAM貴、DRAM便宜之謎及差異對比

大家都知道，SRAM很貴，而DRAM相對便宜，所以DRAM得到了更大范圍更大規(guī)模以及容量的應(yīng)用。為什么價格差異這么大呢？

（1）SRAM速度快但面積大，因此相對DRAM集成度低，功耗大，但速度快，同面積上可以制造很多DRAM但是只能有很少SRAM。所以注定SRAM不可以大容量儲存，所以價格更貴；

（2）SRAM晶體管很多，發(fā)熱量大，也限制大面積。而DRAM則需要不停地刷新電路，否則內(nèi)部的數(shù)據(jù)將會消失。同時，不停刷新電路的功耗是很高的，在我們的PC待機時消耗的電量有很大一部分都來自于對內(nèi)存的刷新。

同時，早期還有一種DRAM的結(jié)構(gòu)，大概如下圖所示，如有興趣可以試圖考慮對比兩種DRAM最小結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點。

DRAM基本電路單元的使用要點總結(jié)：

首先，了解DRAM的基本電路單元是非常重要的。DRAM是一種動態(tài)隨機存取存儲器，其基本電路單元是存儲一個位的電容器和一個訪問線。在使用DRAM時，我們需要確保正確地讀取和寫入數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)讀取的可靠性：由于存儲單元中的電荷水平非常微小，需要使用sense amplifier進行放大和讀取，但是sense amplifier的精度受到很多因素的影響，如溫度、噪聲等。因此，需要采取一些措施來提高數(shù)據(jù)讀取的可靠性，如采用差分放大器、參考電壓等技術(shù)。

其次，為了確保DRAM的正常工作，我們需要注意一些關(guān)鍵要點。首先，我們應(yīng)該避免在DRAM電路單元上施加過高的電壓，以防止電容器受損。同時，我們應(yīng)該避免過多地讀取和寫入數(shù)據(jù)，以減少DRAM電路單元的磨損和老化。功耗和性能：DRAM需要不斷刷新電路以保持?jǐn)?shù)據(jù)的穩(wěn)定性，因此它的功耗相對較高。但是，由于它的讀取和寫入速度較快，因此它的性能相對較好。

此外，我們還應(yīng)該注意DRAM的刷新操作。由于DRAM是一種動態(tài)存儲器，它需要定期刷新以保持?jǐn)?shù)據(jù)的正確性。因此，我們需要確保在使用DRAM時，刷新操作得到正確執(zhí)行。

最后，為了提高DRAM的性能和穩(wěn)定性，我們應(yīng)該遵循一些最佳實踐。首先，我們應(yīng)該合理安排DRAM電路單元的布局，以最大程度地減少信號干擾和噪聲。其次，我們應(yīng)該選擇合適的時序和時鐘頻率，以確保DRAM的穩(wěn)定性和可靠性。