SRAM的基础电路及原理分析

硬件面试的时候，看到应聘者简历上写着，有过AMD工作或实习经历，熟悉CPU和内存。于是我问，那请你画一下SRAM和DRAM的基本cell出来，然后简要说一下工作原理及特点，但是没能说出来。

有不少人这两个基本单元画不出来，不能算熟悉CPU和内存，这两个深究下来就太复杂了，不展开说，本文主要分析SRAM相关的基础电路及原理分析，便于大家更好的理解。

先上SRAM和DRAM的电路基本单元，如下图

从上图可以看到二者最明显的区别就是，SRAM的结构比DRAM的要复杂很多，这也就造成了SRAM会比DRAM贵很多。对比二者，区别如下

大家都知道，CPU是负责运算和处理的，而存储器则是负责交换数据的。有人是这么比喻的（场景是工程师的工作），说CPU就是工程师本人，内存就像是工作台，需要及时处理的东西需要先拿到工作台上才方便处理。那么硬盘是什么呢？硬盘就像柜子，存放电子器件仪器用的仓库，存东西。

存储器有两个基本的构成单元，SRAM 和 DRAM，充分理解这两个概念以及电路原理，对于学习应用CPU构架以及DDR非常有用。DRAM就是动态（Dynamic）随机存储器，SRAM是静态（Static）随机存储器。这一动一静的本质是什么呢？先说静态随机存储器，它是利用如D触发器的结构来完成数据的读取与写入的，资料的写入不需要刷新动作，这样不需要刷新动作的就成为静态。同时，这样使得控制器设计很简单，存取的速度比DRAM快很多。适合于高速存储的应用场景比如CPU的cache缓存。

理解了静态随机存储器之后，动态随机存储器就好理解了。动态就是指利用电容的充放电来实现资料的写入与读取动作，因为电容会慢慢放电，如果放电到阈值以下，数据可能就会丢失了，因此需要每隔一段时间来做刷新的动作，以保持资料的完整性。最常见的就是手机和电脑的内存了。

1 第一层认识—一个D触发器构成最简单 SRAM

首先，可以从最基础数字电路开始。有一个很基本但是深刻且直接的认识：SRAM cell最简单的构成单元就是一个D触发器，如下图所示，D触发器是数字电路系统里面的一个基本单元。

1 bit的SRAM单元的核心电路就是一个D触发器。当有power存在的时候，因为D触发器的特性，数据可以保存，不需要刷新。触发器是具有记忆功能的，具有两个稳定的信息存储状态。D触发器的特性方程是：Q(n+1)=D；也就是记忆前一个状态，可以从RS触发器出发，写一下真值表，推算就很好理解了。波形图如下所示：

2 第二层认识—4个单管构成的SRAM

然后，可以用基本晶体管层面来搭建一个简单的SRAM单元，仅仅由4个NMOS管和两个电阻构成的。

【电路详细分析】

SRAM的整个单元具有对称性。其中除了Q1和Q2的部分，是用来锁存1位数字信号。Q1，Q2是传输管，它们在对存储器进行读／写操作时完成将存储单元与外围电路进行连接或断开的作用。

对单元的存取通过字线WL(Word Line)使能，字线WL为高电平时传输管导通，使存储单元的内容传递到位线BL(Bit Line)，单元信息的反信号传递到位线BL#，外围电路通过BL和BL#读取信息。

写操作时，SRAM单元阵列的外围电路将电压传递到BL和BL#上作为输入，字线WL使能后，信息写入存储单元。

3 第三层认识--6管单管构成的SRAM

最后，可以从IC的制造层面来看。其实，大部分与第二层差不多，只是M2与M4用PMOS代替。SRAM中的每一bit存储在由四个场效应管（M1, M2, M3, M4）构成两个交叉耦合的反相器中。另外两个场效应管（M5，M6）是存储基本单元到用于读写位线（Bit Line）的控制开关。

一个SRAM基本单元有0和1两个电平稳定状态。SRAM 基本单元由两个CMOS反相器组成。两个反相器的输入、输出交叉连接，即第一个反相器的输出连接第二个反相器的输入，第二个反相器的输出连接第一个反相器的输入。这就能实现两个反相器的输出状态的锁定、保存，即存储了一个位的状态。分析简图：

【详细的电路分析】

SRAM的基本单元存在三种状态：standby（空闲），read（读）和write（写）。

第一种状态：standby

如果WL没有选为高电平，那么M5和M6两个作为控制用的晶体管处于断路状态，也就是基本单元与位线BL隔离。而M1-M4组成的两个反相器继续保持其状态。

第二种状态：read

首先，假设存储的内容为1，也就是Q处为高电平。读周期初始，两根位线BL, BL#预充值为高电平，因为读写状态时，WL也会为高电平，使得让作为控制开关的两个晶体管M5, M6导通。

然后，让Q的值传递给位线BL只到预充的电位，同时泄放掉BL#预充的电。具体来说，利用M1和M5的通路直接连到低电平使其值为低电平，即BL#为低；另一方面，在BL一侧，M4和M6导通，把BL直接拉高。

第三种状态：write

写周期开始，首先把要写入的状态加载到位线BL，假设要写入0，那么就设置BL为0且BL#为1。然后，WL设置为高电平，如此，位线的状态就被载入SRAM的基本单元了。具体分析过程，可以自己画一下。

总结：

SRAM和DRAM之间的区别在于它们的工作原理和存储方式。

SRAM是静态随机存取存储器，它使用触发器来存储数据，速度快但容量较小。

而DRAM是动态随机存取存储器，它使用电容来存储数据，速度较慢但容量较大。

此外，SRAM不需要刷新操作，而DRAM需要定期刷新以保持数据的有效性。

根据应用需求，选择适合的存储器类型是非常重要的。