DRAM的工作原理 DRAM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和讀取數(shù)據(jù)過(guò)程說(shuō)明

本文要點(diǎn)提示：

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

內(nèi)存應(yīng)該是每個(gè)硬件工程師都繞不開(kāi)的話題，稍微復(fù)雜一點(diǎn)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(jì)，仿真，調(diào)試，焊接，等等都非常復(fù)雜，且重要。對(duì)DRAM使用的熟練情況，直接關(guān)系到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。本文試著用比較通俗系統(tǒng)的圖片和文字來(lái)解說(shuō)，DRAM中一個(gè)基本電路單元的工作原理。

DRAM(Dynamic Random Access Memory)，即動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，最常見(jiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景是電腦和手機(jī)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(huì)細(xì)致且較為形象的說(shuō)明DRAM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以及讀取數(shù)據(jù)的全過(guò)程。

1.單管構(gòu)成的DRAM最小單元

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

首先，要知道兩個(gè)前提：其一，施加到存儲(chǔ)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(shì)就越低。為了便于理清概念，我們把水庫(kù)頂部電勢(shì)定為0V，水庫(kù)底部的電勢(shì)定為Vcc。

存儲(chǔ)單元的三個(gè)基本操作

三個(gè)基本操作分別是存儲(chǔ)資料，寫(xiě)入資料以及讀取資料三種。同樣，便于理解，將這三種過(guò)程用水庫(kù)存儲(chǔ)放掉水來(lái)類(lèi)比，稍微形象一些。

存儲(chǔ)資料

資料存儲(chǔ)的示意圖如下所示，也就是當(dāng)水庫(kù)閘門(mén)關(guān)閉時(shí)（行地址線路Vth=0V），水庫(kù)中的水無(wú)法流出，上游的水也無(wú)法流入，存儲(chǔ)在水庫(kù)中的水位保持不變，因此可以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)資料的目的。水位的高低就用高低電平來(lái)表示。

寫(xiě)入資料

資料的寫(xiě)入可以分為寫(xiě)入“0”的情形和寫(xiě)入“1”的情形兩種。以寫(xiě)入0的情形來(lái)說(shuō)明。

具體順序是：

首先，由于之前可能有資料，水庫(kù)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(mén)打開(kāi)，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(kù)中水位狀態(tài)，會(huì)將水池填滿，使得水庫(kù)變?yōu)楦咚唬ǖ碗娖綘顟B(tài)0）。

類(lèi)比，貨物過(guò)運(yùn)河水閘的情形也非常容易理解，大家自行腦補(bǔ)。

讀取資料

DRAM存儲(chǔ)單元中讀取資料時(shí)，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(kù)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(kāi)水閘，也就是行地址線路為高電平，使得水庫(kù)中的水回流到水道（列地址線路）中，由于水庫(kù)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(cè)到水道的水位產(chǎn)生delta的變化時(shí)，就可以辨別出水庫(kù)（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(kù)（行地址線路）的容量。具體過(guò)程遠(yuǎn)比這復(fù)雜，但是通過(guò)這種類(lèi)比可以了解到工作原理，夠用了。

哦，對(duì)了，差了忘記了，如果沒(méi)有外界水道中的水來(lái)補(bǔ)充水庫(kù)，那么水庫(kù)中的水位由于蒸發(fā)、滲透，水量會(huì)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(shí)間檢測(cè)刷新，充電，這就是動(dòng)態(tài)的根本原因。

2.SRAM貴、DRAM便宜之謎及差異對(duì)比

大家都知道，SRAM很貴，而DRAM相對(duì)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(jià)格差異這么大呢？

（1）SRAM速度快但面積大，因此相對(duì)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?jī)?chǔ)存，所以?xún)r(jià)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(huì)消失。同時(shí)，不停刷新電路的功耗是很高的，在我們的PC待機(jī)時(shí)消耗的電量有很大一部分都來(lái)自于對(duì)內(nèi)存的刷新。

同時(shí)，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(duì)比兩種DRAM最小結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。

DRAM基本電路單元的使用要點(diǎn)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(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其基本電路單元是存儲(chǔ)一個(gè)位的電容器和一個(gè)訪問(wèn)線。在使用DRAM時(shí)，我們需要確保正確地讀取和寫(xiě)入數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)讀取的可靠性：由于存儲(chǔ)單元中的電荷水平非常微小，需要使用sense amplifier進(jìn)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(lái)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(diǎn)。首先，我們應(yīng)該避免在DRAM電路單元上施加過(guò)高的電壓，以防止電容器受損。同時(shí)，我們應(yīng)該避免過(guò)多地讀取和寫(xiě)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(duì)較高。但是，由于它的讀取和寫(xiě)入速度較快，因此它的性能相對(duì)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(dòng)態(tài)存儲(chǔ)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(shí)，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(shí)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(hào)干擾和噪聲。其次，我們應(yīng)該選擇合適的時(shí)序和時(shí)鐘頻率，以確保DRAM的穩(wěn)定性和可靠性。