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静态随机存储器(SRAM):高速缓存的奥秘

        

目录

基本的静态存储单元阵列

基本的SRAM逻辑结构

1. 概述

2. SRAM阵列

3. 行选择器(Row Decoder)

4. 列选择器(Column Decoder)

5. 读写电路

6. 控制电路

7. 工作过程

SRAM的读/写时序

SRAM 结构概述

读操作时序

读操作概述

读操作时序步骤

读操作时序图

写操作时序

写操作概述

写操作时序步骤

写操作时序图

读/写控制信号

读/写时序总结

存储器容量的扩充

方法一:增加存储单元数量

方法二:多芯片并联扩展

示例:

方法三:多端口 SRAM

方法四:分区地址空间

示例:

示例:多芯片并联扩展存储容量

接线示例

示例代码(伪代码)


        在电子工程和计算机系统设计中,高速缓存(cache)是一个至关重要的组件,它显著提升数据访问速度。而构建高速缓存核心组件时,我们将深入研究SRAM的工作原理、逻辑结构、读写时序,并为此准备扩充存储器容量,帮助了解SRAM在现代计算机系统中的可用性。

基本的静态存储单元阵列

        SRAM 就像一个由许多小格子组成的网格,每个小格子就是一个静态存储单元,可以存储一个二进制位(0 或 1)。

1. 六晶体管(6T)存储单元

        最常见的 SRAM 存储单元是六晶体管(6T)类型,它就像一个由六个开关组成的电路,这六个开关分别是六个晶体管(transistor)。

  • 晶体管: 可以简单理解为一种电子开关,可以控制电流的通断。
  • NMOS 晶体管和 PMOS 晶体管: 是两种不同类型的晶体管,它们的工作原理有所不同,但都可以用来构建逻辑电路。

2. 存储节点

        在 6T 存储单元中,两个交叉耦合的 CMOS 逆变器(inverter)构成了一个存储节点,用来存储一个二进制位。

  • CMOS 逆变器: 可以简单理解为一种逻辑电路,当输入为 0 时,输出为 1;当输入为 1 时,输出为 0。
  • 交叉耦合: 指的是两个逆变器的输出分别连接到对方的输入,形成一个稳定的回路,可以保持存储状态。

 

工作原理:

  • 当存储节点存储 0 时,其中一个逆变器的输出为 0,另一个逆变器的输出为 1,保持稳定状态。
  • 当存储节点存储 1 时,其中一个逆变器的输出为 1,另一个逆变器的输出为 0,保持稳定状态。

3. 存储单元阵列

        多个 6T 存储单元按照行和列排列,就构成了 SRAM 的存储单元阵列。每个存储单元都连接到字线和位线,用于读写数据。

  • 字线: 用于选择要访问的存储单元的行。
  • 位线: 用于读写选定存储单元的数据。

基本的SRAM逻辑结构

1. 概述

        静态随机存取存储器(SRAM)是一种重要的半导体存储器,广泛应用于缓存和高速存储场景。SRAM的基本逻辑结构由存储单元阵列、行选择器、列选择器、读写电路和控制电路组成。

2. SRAM阵列

        SRAM阵列由行(row)和列(column)组成,每个交叉点对应于一个存储单元。每个存储单元通常由六个晶体管组成,形成一个双稳态触发器,可以稳定地存储一个比特位的数据(0或1)。

  • 行(Row):每行包含多个存储单元。
  • 列(Column):每列对应一个数据位线,用于传输数据。

3. 行选择器(Row Decoder)

        行选择器用于选择存储阵列中的特定行。行选择器是一个解码器,它根据输入的行地址信号,激活对应的行选择信号(word line)。

  • 功能:将输入的行地址解码为一个唯一的行选择信号。
  • 实现:利用逻辑门和解码器电路,根据输入地址激活特定的行。

4. 列选择器(Column Decoder)

        列选择器用于选择存储阵列中的特定列。列选择器根据输入的列地址信号,激活对应的列选择信号(bit line)。

  • 功能:将输入的列地址解码为一个唯一的列选择信号。
  • 实现:利用多路复用器(MUX)和解码器电路,根据输入地址激活特定的列。

5. 读写电路

        读写电路负责在读操作和写操作中,完成数据的存取和更新。

  • 读操作

    • 当处理器发出读请求时,行选择器激活相应的字线,选择对应的行。
    • 列选择器激活相应的位线,选择对应的列。
    • 存储单元的数据通过位线传输到感应放大器(Sense Amplifier),将存储单元的微弱信号放大后输出给处理器。
  • 写操作

    • 当处理器发出写请求时,行选择器激活相应的字线,选择对应的行。
    • 列选择器激活相应的位线,选择对应的列。
    • 将要写入的数据通过位线传输到对应的存储单元,更新存储单元的数据状态。

6. 控制电路

        控制电路负责协调和控制读写操作的时序和逻辑。它接收处理器的控制信号并生成行选择信号、列选择信号以及读写使能信号。

  • 读写使能信号(Read/Write Enable):用于控制读写操作的执行。
  • 地址信号(Address):用于选择存储单元的行和列。
  • 数据信号(Data):用于在读写操作中传输数据。

7. 工作过程
  • 地址译码:处理器发出地址信号,行选择器和列选择器分别解码行地址和列地址,选择特定的存储单元。
  • 读操作
    • 行选择器激活对应的行。
    • 列选择器激活对应的列。
    • 存储单元的数据通过位线传输到感应放大器,输出给处理器。
  • 写操作
    • 行选择器激活对应的行。
    • 列选择器激活对应的列。
    • 写入数据通过位线传输到存储单元,更新存储单元的数据状态。

SRAM的读/写时序

        静态随机存取存储器(SRAM)的读写操作依赖于精确的时序控制。SRAM在设计上实现了相对简单的访问机制,但仍需要确保正确的信号顺序和时间,以实现可靠的操作。以下是对 SRAM 读/写时序的详细介绍。

SRAM 结构概述

        SRAM 由一些基本单元组成,这些单元通过行选择器(行译码器)和列选择器(列译码器)进行访问。每个基本单元通常由六个晶体管组成,能够保持其状态而无需周期性刷新。

 

读操作时序

读操作概述
  1. 地址输入:提供要读取的存储单元的地址。
  2. 地址稳定:地址信号需要在整个读操作期间保持稳定。
  3. 读使能信号:启用读操作的控制信号(通常为 OE,输出使能)。
  4. 数据输出:从指定地址的存储单元读取数据,并将其输出到数据总线。

读操作时序步骤
  1. 地址设置:将要读取的地址输入到地址总线上。
  2. 地址稳定时间:等待地址信号稳定。
  3. 读使能信号激活:启用 OE 信号。
  4. 数据有效时间:等待数据从存储单元传输到数据总线。
  5. 数据读取:读取数据总线上的数据。
  6. 读使能信号失效:禁用 OE 信号,完成读操作。

读操作时序图
地址总线   : ──[ADDR]──────────────────────────────
读使能信号 : ────────────[OE]─────────────
数据总线   : ────────────────[DOUT]──────────────

写操作时序

写操作概述
  1. 地址输入:提供要写入的存储单元的地址。
  2. 地址稳定:地址信号需要在整个写操作期间保持稳定。
  3. 数据输入:将要写入的数据输入到数据总线。
  4. 写使能信号:启用写操作的控制信号(通常为 WE,写入使能)。
  5. 数据存储:将数据从数据总线写入到指定地址的存储单元。

写操作时序步骤
  1. 地址设置:将要写入的地址输入到地址总线上。
  2. 地址稳定时间:等待地址信号稳定。
  3. 数据设置:将要写入的数据输入到数据总线上。
  4. 数据稳定时间:等待数据信号稳定。
  5. 写使能信号激活:启用 WE 信号。
  6. 数据写入时间:等待数据写入到存储单元。
  7. 写使能信号失效:禁用 WE 信号,完成写操作。

写操作时序图

 

地址总线   : ──[ADDR]──────────────────────────────
数据总线   : ────[DIN]──────────────────────────────
写使能信号 : ────────────[WE]─────────────

读/写控制信号

SRAM 通常具有以下控制信号:

  1. 地址总线(ADDR):选择要访问的存储单元地址。
  2. 数据总线(DATA):进行数据传输的双向总线。
  3. 读使能(OE, Output Enable):控制读操作的信号。
  4. 写使能(WE, Write Enable):控制写操作的信号。
  5. 芯片选择(CS, Chip Select):启用或禁用整个 SRAM 芯片。

读/写时序总结

在实际设计中,读/写操作的时序精确控制至关重要。以下是关键点总结:

  • 地址稳定时间(tAS):地址信号需要在特定时间内保持稳定,确保正确访问存储单元。
  • 数据稳定时间(tDS):写操作中,数据信号需要在特定时间内保持稳定,确保正确写入数据。
  • 读/写使能信号宽度(tOE/tWE):读/写使能信号需要在特定宽度内保持有效,确保数据读取/写入操作完成。
  • 数据有效时间(tDOUT):读操作中,数据需要在特定时间内从存储单元传输到数据总线。

 

存储器容量的扩充

        在扩展存储器容量时,尤其是对于静态随机存取存储器(SRAM),有几种常见的方法可以实现更大的存储容量和更高的系统性能。以下是关于扩充 SRAM 容量的详细说明。

方法一:增加存储单元数量

增加单个 SRAM 芯片的容量

  • 通过设计和制造具有更多存储单元的 SRAM 芯片来直接增加容量。这种方法涉及提高芯片的密度,使得每个芯片能够存储更多的数据。这通常需要更先进的半导体工艺和制造技术。

方法二:多芯片并联扩展

使用多个 SRAM 芯片并联

  • 通过将多个 SRAM 芯片并联,可以扩展整体存储容量。每个芯片处理一部分数据,总的存储容量是单个芯片容量的总和。

示例:

假设每个 SRAM 芯片的容量为 1MB,通过并联四个这样的芯片,可以实现 4MB 的总存储容量。

方法三:多端口 SRAM

使用多端口 SRAM

  • 多端口 SRAM 提供多个独立的访问端口,允许同时进行多个读写操作。这种结构有助于提高吞吐量和并行处理能力,特别适用于需要高带宽的应用场景。

方法四:分区地址空间

使用多个地址区域

  • 通过将不同的存储区域映射到不同的地址空间,可以有效地管理和利用更大的存储容量。在这种方法中,系统地址总线的一部分用于选择特定的 SRAM 芯片或存储模块。
示例:

假设系统有两个 1MB 的 SRAM 芯片,可以将地址空间范围 0x000000-0x0FFFFF 分配给第一个芯片,范围 0x100000-0x1FFFFF 分配给第二个芯片,从而实现总共 2MB 的可用存储容量。

示例:多芯片并联扩展存储容量

假设我们有多个 1MB 的 SRAM 芯片,需要扩展到 4MB 的总存储容量。

接线示例
  1. 地址总线

    • 将地址总线连接到所有 SRAM 芯片。对于 1MB 的 SRAM,需要 20 位地址线(2^20 = 1MB)。
    • 使用额外的地址位来选择特定的 SRAM 芯片。例如,2 位额外的地址线可以选择 4 个不同的芯片。
  2. 数据总线

    • 将数据总线连接到所有 SRAM 芯片。数据总线的宽度取决于每个芯片的数据宽度(如 8 位、16 位等)。
  3. 芯片选择(CS)

    • 使用解码器电路将系统的地址线解码为各个 SRAM 芯片的芯片选择信号。
    • 例如,使用 2 位地址线和 4 个芯片的解码器,当地址线为 00 时选择第一个芯片,为 01 时选择第二个芯片,以此类推。

示例代码(伪代码)

以下是一个伪代码示例,展示如何在嵌入式系统中实现多芯片并联扩展的逻辑:

#define SRAM1_BASE_ADDRESS 0x00000000
#define SRAM2_BASE_ADDRESS 0x00100000
#define SRAM3_BASE_ADDRESS 0x00200000
#define SRAM4_BASE_ADDRESS 0x00300000#define TOTAL_SIZE (4 * 1024 * 1024)  // 4MBvoid write_to_sram(uint32_t address, uint8_t data) {if (address < 0x00100000) {*((volatile uint8_t *)(SRAM1_BASE_ADDRESS + address)) = data;} else if (address < 0x00200000) {*((volatile uint8_t *)(SRAM2_BASE_ADDRESS + (address - 0x00100000))) = data;} else if (address < 0x00300000) {*((volatile uint8_t *)(SRAM3_BASE_ADDRESS + (address - 0x00200000))) = data;} else if (address < 0x00400000) {*((volatile uint8_t *)(SRAM4_BASE_ADDRESS + (address - 0x00300000))) = data;}
}uint8_t read_from_sram(uint32_t address) {if (address < 0x00100000) {return *((volatile uint8_t *)(SRAM1_BASE_ADDRESS + address));} else if (address < 0x00200000) {return *((volatile uint8_t *)(SRAM2_BASE_ADDRESS + (address - 0x00100000)));} else if (address < 0x00300000) {return *((volatile uint8_t *)(SRAM3_BASE_ADDRESS + (address - 0x00200000)));} else if (address < 0x00400000) {return *((volatile uint8_t *)(SRAM4_BASE_ADDRESS + (address - 0x00300000)));}return 0;  // 超出范围
}

        在实际应用中,SRAM通常与动态随机存储器(DRAM)结合使用,她一种层次化存储体系结构。SRAM作为高速缓存,提供快速的数据访问,而DRAM则提供更大的存储容量。通过对数据的智能管理和缓存,可以提高系统的性能和效率。

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