单端口SRAM与双端口SRAM电路结构

Posted 2020-12-16

SRAM是随机存取存储器的一种。所谓的静态是指这种存储器只要保持通电，里面储存的数据就可以恒常保持。SRAM不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据,因此SRAM具有较高的性能.

SRAM的速度快但价格相对昂贵，一般用小容量的SRAM作为更高速CPU和较低速DRAM 之间的缓存（cache）.SRAM也有许多种，如Async SRAM (异步SRAM）、Sync SRAM (同步高速SRAM）、PBSRAM (流水式突发SRAM），还有INTEL没有公布细节的CSRAM等。

不管是哪种 SRAM，其基本的原理大都是通过两个首尾相接的反相器来锁存数据的，如图 2-2 所示。其中反相器Ⅰ和Ⅱ形成正反馈，使电路总能恢复到稳定状态；N1 和 N2 叫做存取管，用来读取或者写入数据；字线（ WL）控制存取管的开启，从而将存储的数据从位线（ BL 和 BLB）传送至外围电路。反相器Ⅰ、Ⅱ和存取电路组成了一个 SRAM 单元（SRAM Cell）（由于该单元只能存储一位的数据，有时也叫做 bit-cell）。根据存取电路的不同，目前大 致可以将 SRAM 单元分为上述三种端口的类型，下面分别介绍这些单元的结构。

图 1 SRAM单元基本结构

单端口SRAM

根据图1中反相器的不同，单端口SRAM单元有电阻负载型、无负载型和六管 CMOS 单元等。电阻负载型存储单元由于电其压传输特性曲线（VTC）不陡并且功耗大已远离了主流设计；无负载型存储单元虽然可以实现较高的密度[16]，但其稳定性差；六管 CMOS SRAM 单元是目前主流的设计，其结构如图2 所示。它由 6 个晶体管（N1~N4、P1~P2）组成，N1、N2 叫做下拉（PD）管，P1、P2 叫做上拉（PU）管，N3、N4 是存取管，有时也叫传输管（PG）。这种六管存储单元具有很好的健壮性、低功耗和低电压工作特性，所以非常受欢迎；下文中的两端口和双端口存储单元以及在分析SRAM 单元的操作、特性时都将采用这种结构，并简称为六管单元。

图 2 单端口六管CMOS SRAM单元

两端口 SRAM

随着工艺尺寸的不断降低，参数波动变得越来越严重，六管SRAM存储单元固有的缺点（见下文）导致其在低电压情况下难以提供足够的稳定性，于是出现了一种 8 管 SRAM 单元[17]，如图 3 所示。这种结构具有独立的读写字线（RWL, WWL）和读写位线（RBL, WBL 和 WBLB），从而有分开的读端口和写端口；数据从读端口读出，从写端口写入。这样不仅提高了稳定性，而且可以进行同时读写，从而有更高的性能。但是由于读端口是单端的，外围放大电路需要更大的读位线摆幅（较之差分）才能得到满幅的逻辑电平，所以导致存取时间变长。

图 3 两端口SRAM单元

双端口SRAM

双端口注sram芯片存储单元是在单端口六管 CMOS 单元的基础上复制增加了一套读写端口，如图4 所示；与两端口 SRAM 中的某一端口只能完成读或写功能不同，在双端口 SRAM 中，每一个端口都可以进行读和写操作；因此也把这种结构叫做两读写（2RW）单元，把 2P-SRAM 的存储单元叫做一读一写（1R1W）单元，而把六管 CMOS 存储单元叫做一读写（1RW）单元。

图 4双端口SRAM单元