前言

在芯片設(shè)計(jì)時(shí)，通常需要用到各種類型的存儲單元，用以臨時(shí)或者永久地存儲數(shù)據(jù)。根據(jù)應(yīng)用場合的不同，所用到的存儲單元也不同。本文對常見的幾個(gè)存儲單元進(jìn)行了介紹，并簡述了其工作原理和特點(diǎn)。需要特別說明的是，由于作者為數(shù)模混合集成電路工程師，因此本文是以作者的角度進(jìn)行介紹和分析的，側(cè)重于一些類如ADC數(shù)據(jù)處理，片上修調(diào)等小規(guī)模電路應(yīng)用場合。如果讀者從事大規(guī)模數(shù)字集成電路的設(shè)計(jì)，那么本文的幫助可能非常有限，請您查閱更為專業(yè)的文獻(xiàn)。

寄存器

圖1 寄存器

寄存器是一個(gè)芯片設(shè)計(jì)中的常見模塊，例如一個(gè)ADC芯片，外部對其配置的數(shù)據(jù)，ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果，ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果計(jì)算時(shí)的中間數(shù)據(jù)等通常都是用寄存器進(jìn)行存儲的。我們在寫verilog時(shí)，也常常定義寄存器類型(reg型)的數(shù)據(jù)。如圖1所示，寄存器通常由D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)鐘上升沿到來時(shí)，如果需要保存當(dāng)前D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)，那么輸入MUX將DOUT重新輸入D觸發(fā)器，輸出因此保持不變。如果要改變寄存器值，輸入MUX將要保存的新的輸入DIN輸入D觸發(fā)器。上述兩個(gè)過程實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲和寫入。寄存器數(shù)據(jù)在掉電后當(dāng)然也就不復(fù)存在。

寄存器在數(shù)字綜合時(shí)通過調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)單元庫中的DFF實(shí)現(xiàn)。

SRAM

圖2 SRAM

SRAM中文名稱為：靜態(tài)隨機(jī)訪問存儲器，它的靜態(tài)，是相對于DRAM而言的，表示在通電時(shí)不需要?jiǎng)討B(tài)刷新就可以持續(xù)保存數(shù)據(jù)，但掉電后數(shù)據(jù)還是會消失。圖2為一個(gè)6T SRAM存儲單元的電路圖，圖中M1~M4組成了兩個(gè)交叉耦合的反相器對，用來鎖存數(shù)據(jù)。當(dāng)讀數(shù)據(jù)時(shí)，字線WL變高使得M5和M6導(dǎo)通，將數(shù)據(jù)加載到位線上。當(dāng)寫入數(shù)據(jù)時(shí)，同樣WL變高使得M5和M6導(dǎo)通，但此時(shí)位線被外部寫入的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，外部數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)能力足夠強(qiáng)以使得反相器對鎖存的數(shù)據(jù)被改變，新的數(shù)據(jù)被SRAM存儲。

對比寄存器，SRAM是一種更為精簡且專用的鎖存數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)，存儲密度也更高。SRAM通常需要使用fab廠商提供的生成工具產(chǎn)生(Memory Compiler)。

DRAM

圖3 DRAM

DRAM中文名稱為：動(dòng)態(tài)隨機(jī)訪問存儲器，如圖3所示，數(shù)據(jù)被存儲在小電容C上，由于每次讀取都會讓電容上的電荷泄露一些，且即使不讀取，電容上的電荷也會慢慢泄露，因此DRAM需要?jiǎng)討B(tài)刷新來保持?jǐn)?shù)據(jù)，這也是DRAM名字的由來。這樣的實(shí)現(xiàn)方式雖然可以讓它單元面積比SRAM小很多，但動(dòng)態(tài)刷新使得其比SRAM浪費(fèi)更多的空閑功耗。DRAM寫入時(shí)通過位線對電容充放電即可。

熔絲OTP

上述三種存儲單元均為掉電易失型存儲，對芯片中的一些臨時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存。但是，芯片中一些數(shù)據(jù)，例如修調(diào)配置數(shù)據(jù)等，需要在出廠時(shí)一次寫入且一直保存，上面三種存儲單元顯然不具備這樣的功能。存儲這樣的數(shù)據(jù)需要采用掉電不易失存儲器，比如MTP,OTP,Flash等等，本文簡單介紹一下由熔絲組成的OTP。

圖4 熔絲版圖(from eetop)

熔絲一般為很細(xì)的金屬或多晶硅，如圖4所示，當(dāng)熔絲流過很大的電流時(shí)，將會被燒斷。熔絲的燒寫可以用額外的PAD或者通過輔助的數(shù)字控制+燒寫電路進(jìn)行，前者只能在封裝前進(jìn)行，后者可在封裝后進(jìn)行。

圖5 熔絲OTP

圖5為一個(gè)簡單的熔絲OTP電路圖，其中為了保證低功耗，R為阻值很大的電阻。熔絲默認(rèn)不燒斷，因此上電后A點(diǎn)電壓為電源值，即邏輯高，反相器輸出為邏輯低，也就是熔絲電路默認(rèn)值為邏輯低。若熔絲被燒斷，上電后A點(diǎn)電壓為地，也就是邏輯低，反相器輸出為邏輯高。因此，可通過是否對熔絲燒寫控制該OTP的輸出。

EPROM和EEROM

EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)，中文名為：可擦除可編程只讀存儲器，它是一種可重寫的存儲器，并且是非易失性的。它通過EPROM編程器進(jìn)行編程，EPROM編程器能夠提供比正常工作電壓更高的電壓對EPROM編程。一旦經(jīng)過編程，EPROM只有在強(qiáng)紫外線的照射下才能夠進(jìn)行擦除。為了進(jìn)行擦除，EPROM的陶瓷封裝上具有一個(gè)小的石英窗口，這個(gè)石英窗口一般情況下使用不透明的粘帶覆蓋，當(dāng)擦除時(shí)將這個(gè)粘帶揭掉，然后放置在強(qiáng)紫外線下大約20分鐘。

EEPROM(Electrically Erasable Programmable read-only Memory), 是一種電可擦除可編程只讀存儲器，并且其內(nèi)容在掉電的時(shí)候也不會丟失。在平常情況下，EEPROM與EPROM一樣是只讀的，需要寫入時(shí)，在指定的引腳加上一個(gè)高電壓即可寫入或擦除，而且其擦除的速度極快！通常EEPROM芯片又分為串行EEPROM和并行EEPROM兩種，串行EEPROM在讀寫時(shí)數(shù)據(jù)的輸入/輸出是通過2線、3線、4線或SPI總線等接口方式進(jìn)行的，而并行EEPROM的數(shù)據(jù)輸入/輸出則是通過并行總線進(jìn)行的。

總結(jié)

本文簡單介紹了寄存器，SRAM，DRAM，熔絲OTP，EPROM，EEPROM這幾種芯片中常用存儲單元的原理和特點(diǎn)，限于筆者目前水平有限，更多存儲單元希望可以在之后補(bǔ)充說明。對本文請讀者們多多指正。