DRAM的工作原理 DRAM存储数据和读取数据过程说明

本文要点提示：

1. DRAM 的工作原理图文解说，包括读写以及存储；
2. 揭秘DRAM便宜但SRAM贵之谜。

内存应该是每个硬件工程师都绕不开的话题，稍微复杂一点的系统都需要用到DRAM，并且DRAM是除CPU之外，最为复杂也最贵的核心部件了，其设计，仿真，调试，焊接，等等都非常复杂，且重要。对DRAM使用的熟练情况，直接关系到系统设计的优劣。本文试着用比较通俗系统的图片和文字来解说，DRAM中一个基本电路单元的工作原理。

DRAM(Dynamic Random Access Memory)，即动态随机存储器，最常见的应用场景是电脑和手机的内存，是目前的电路系统中不可或缺的重要组成部分，本文会细致且较为形象的说明DRAM存储数据以及读取数据的全过程。

1.单管构成的DRAM最小单元

单管DRAM是目前大容量存储器唯一的选择方案。电路构成上包括一个读写开关管和一个存储电容器，如下图所示。利用存储电容器存储数据，如果存储电容器上存有电荷，则表示存储单元存储1，否则存储O。

首先，要知道两个前提：其一，施加到存储电容上的电压为1/2的电源电压（Vcc/2）；其二，由于电子是带负电荷，因此，电子越多处电势就越低。为了便于理清概念，我们把水库顶部电势定为0V，水库底部的电势定为Vcc。

存储单元的三个基本操作

三个基本操作分别是存储资料，写入资料以及读取资料三种。同样，便于理解，将这三种过程用水库存储放掉水来类比，稍微形象一些。

存储资料

资料存储的示意图如下所示，也就是当水库闸门关闭时（行地址线路Vth=0V），水库中的水无法流出，上游的水也无法流入，存储在水库中的水位保持不变，因此可以实现存储资料的目的。水位的高低就用高低电平来表示。

写入资料

资料的写入可以分为写入“0”的情形和写入“1”的情形两种。以写入0的情形来说明。

具体顺序是：

首先，由于之前可能有资料，水库中可能是满水或者缺水空水的的状态。

然后，将上游水道（列地址选路）中水位上升到满水，相当于低电位状态（列地址线路Vcc=0V）。最后，利用行地址线路控制（Vth=高电平）将上游水闸门打开，由于上游水道（列地址线路Vcc=0V）水位全满为高水位状态，因此根据水库中水位状态，会将水池填满，使得水库变为高水位（低电平状态0）。

类比，货物过运河水闸的情形也非常容易理解，大家自行脑补。

读取资料

DRAM存储单元中读取资料时，一般使用的列地址选路1/2VCC预充电技术。以读取0为例。

首先，水库中水位全满（电位0V）,水道中水位先预设在2.5V；

然后，打开水闸，也就是行地址线路为高电平，使得水库中的水回流到水道（列地址线路）中，由于水库中水量很小，因此只能使得水道中水位微幅上升。当感应放大器检测到水道的水位产生delta的变化时，就可以辨别出水库（电容）中资料为0。

其中，水位的变化为：delta=5/2(1+Cb/Cs)，水道（列地址线路）的电容量大于水库（行地址线路）的容量。具体过程远比这复杂，但是通过这种类比可以了解到工作原理，够用了。

哦，对了，差了忘记了，如果没有外界水道中的水来补充水库，那么水库中的水位由于蒸发、渗透，水量会慢慢减少，最后干涸。因此，原理图中电容也是一样，需要隔一段时间检测刷新，充电，这就是动态的根本原因。

2.SRAM贵、DRAM便宜之谜及差异对比

大家都知道，SRAM很贵，而DRAM相对便宜，所以DRAM得到了更大范围更大规模以及容量的应用。为什么价格差异这么大呢？

（1）SRAM速度快但面积大，因此相对DRAM集成度低，功耗大，但速度快，同面积上可以制造很多DRAM但是只能有很少SRAM。所以注定SRAM不可以大容量储存，所以价格更贵；

（2）SRAM晶体管很多，发热量大，也限制大面积。而DRAM则需要不停地刷新电路，否则内部的数据将会消失。同时，不停刷新电路的功耗是很高的，在我们的PC待机时消耗的电量有很大一部分都来自于对内存的刷新。

同时，早期还有一种DRAM的结构，大概如下图所示，如有兴趣可以试图考虑对比两种DRAM最小结构的优缺点。

DRAM基本电路单元的使用要点总结：

首先，了解DRAM的基本电路单元是非常重要的。DRAM是一种动态随机存取存储器，其基本电路单元是存储一个位的电容器和一个访问线。在使用DRAM时，我们需要确保正确地读取和写入数据。数据读取的可靠性：由于存储单元中的电荷水平非常微小，需要使用sense amplifier进行放大和读取，但是sense amplifier的精度受到很多因素的影响，如温度、噪声等。因此，需要采取一些措施来提高数据读取的可靠性，如采用差分放大器、参考电压等技术。

其次，为了确保DRAM的正常工作，我们需要注意一些关键要点。首先，我们应该避免在DRAM电路单元上施加过高的电压，以防止电容器受损。同时，我们应该避免过多地读取和写入数据，以减少DRAM电路单元的磨损和老化。功耗和性能：DRAM需要不断刷新电路以保持数据的稳定性，因此它的功耗相对较高。但是，由于它的读取和写入速度较快，因此它的性能相对较好。

此外，我们还应该注意DRAM的刷新操作。由于DRAM是一种动态存储器，它需要定期刷新以保持数据的正确性。因此，我们需要确保在使用DRAM时，刷新操作得到正确执行。

最后，为了提高DRAM的性能和稳定性，我们应该遵循一些最佳实践。首先，我们应该合理安排DRAM电路单元的布局，以最大程度地减少信号干扰和噪声。其次，我们应该选择合适的时序和时钟频率，以确保DRAM的稳定性和可靠性。