DRAM的工作原理详解

DRAM（Dynamic Random Access Memory，动态随机存储器）是一种常用的半导体存储器类型，具有高密度、低成本和快速访问等特点。它用于计算机内存中，以存储数据和指令。了解DRAM的工作原理可以帮助我们理解它如何处理读写数据。

DRAM基本结构

DRAM是基于电容器和晶体管结构的。每个DRAM存储单元包含一个电容器和一个晶体管：

• 电容器用于存储电荷，以表示二进制的“1”或“0”。
• 晶体管作为开关控制电容器的充放电。

这些存储单元以行和列的方式组织，形成了一个矩阵结构，通常称为“阵列”。DRAM的读写操作基于访问特定的行和列来寻址所需的单元。

DRAM工作流程

1. 行选地址解码（Row Address Strobe，RAS）：

   • 先从行地址开始选中特定行。
   • 通过RAS信号，控制逻辑会解码行地址并激活所选行的全部存储单元。
   • 每个存储单元的电容器将其电荷释放到对应的位线，并形成微小的电压差。

2. 数据放大：

   • 由于电容器中的电荷量非常小，位线上的电压差也很微弱，因此需要通过感应放大器（Sense Amplifier）来放大信号，以确保能正确读取数据。
   • 放大器不仅会放大电荷，还会重新充电，使电容保持原有的数据状态，这个过程称为预充电。

3. 列选地址解码（Column Address Strobe，CAS）：

   • 通过CAS信号解码列地址，从放大的信号中选择特定的列，即某一行中指定的列，这样一个特定的存储单元就被锁定。
   • 列地址可以直接用于选择某一特定位，准备进行数据读出或写入。

DRAM的读写操作

1. 读操作：

   • 通过RAS和CAS信号，DRAM定位并选定特定单元的行和列。
   • 感应放大器放大数据并送到数据总线，由此数据被传送到外部。
   • 由于电容放电，数据被破坏，但在感应放大器中数据会被刷新并写回电容。

2. 写操作：

   • 通过RAS和CAS信号选择所需行和列。
   • 外部输入的数据通过写驱动器写入感应放大器，并由感应放大器将数据写入电容器。
   • 电容器获得新电荷，存储单元更新为新的“1”或“0”状态。

DRAM的内部状态变化

1. 行解码：根据行地址解码，电容的电荷被释放，形成位线电压差。
2. 放大器放大：电荷微弱信号被放大并输出，同时在读操作中进行数据恢复。
3. 列解码：通过列地址解码定位到特定的列，完成数据访问。
4. 数据写入/重置：在写操作中，电容电荷被重置，更新数据。

刷新机制

由于电容器中的电荷会泄漏，DRAM需要定期刷新。刷新操作通过周期性访问每一行来完成，保证数据不丢失。

DRAM内部结构简化电路图概述

1. 单个存储单元：

   • 电容器：存储数据的关键元件，用于保持电荷来表示二进制数据（充满电表示1，没电表示0）。
   • 接入晶体管：控制电容器是否与位线连接。通过行选信号（Word Line）来控制该晶体管的开关状态。

2. 行和列的布线：

   • 行线（Word Line）：控制每行上的所有存储单元，连接到存储单元的控制晶体管门极。每次RAS信号选定一行，将该行的晶体管激活，从而打开这一行上的所有存储单元。
   • 列线（Bit Line）：连接每列上的所有存储单元。位线将电容器的电荷与感应放大器连接，进行数据放大和读写操作。

3. 感应放大器（Sense Amplifier）：

   • 通过检测位线上的微小电压差来读取或写入数据。感应放大器放大信号后，将数据送到数据总线上，或将写入数据送入存储单元的电容器。

4. 列选择（Column Decoder）：

   • 通过列地址选择特定的位线，实现特定单元的读写操作。

写操作电压变化步骤

1. 行地址解码并激活行线：

   • 行解码器根据行地址信号（RAS）选择所需的行，并在选中的行线上施加一个较高电压（通常接近供电电压，如1.2V或1.8V），以激活该行上的所有晶体管。
   • 行线的高电压打开与该行相关的晶体管，使电容器与位线连接。

2. 位线上的电压预充电：

   • 在写入数据之前，位线通常先进行预充电，使其处于基准电压（V_ref，一般为一半的供电电压，如0.6V或0.9V）。这个步骤确保位线在初始时处于一个稳定的参考电压，以减少噪声和误差。
   • 预充电完成后，位线与电容器暂时处于相同的电压水平。

3. 写入数据：

   • 外部输入的数据通过数据线（Data Line）传输到位线，并根据要写入的值将位线的电压拉高或拉低：
     • 如果写入“1”，位线上的电压会升高（接近供电电压，如1.2V或1.8V），使电容器充电。
     • 如果写入“0”，位线上的电压会降低，通常接近地电位（0V），使电容器放电。
   • 由于电容与位线相连，电容器的电压将逐渐跟随位线的电压变化，从而存储目标数据（电荷状态）。

4. 行线关闭：

   • 一旦电容器的电压达到目标值，行线电压会降低到0V，从而关闭晶体管，切断电容器与位线的连接。
   • 关闭后，电容器保存住当前的电荷状态，代表写入的数据。

总结各部分电压变化

• 行线：从0V跳到高电压（开启晶体管），写入完成后返回0V。
• 位线：初始状态为参考电压（V_ref），根据数据需要拉高或拉低。
• 电容器：随着位线变化充电或放电，达到目标电压后保持该电压，直到下一次刷新或写入操作。

通过这种电压控制，DRAM实现了数据写入，并在操作后将数据保持在电容器中，直到下一次读写或刷新为止。

读操作电压变化步骤

1. 行地址解码并激活行线：

   • 行解码器根据行地址信号（RAS）选择所需的行，将行线拉到一个高电压（如接近供电电压的1.2V或1.8V），从而打开该行上的所有晶体管。
   • 行线的高电压使得连接的晶体管导通，将电容器与对应的位线连接起来。

2. 电容器与位线的电压共享：

   • 电容器中存储的数据以电压形式存在（例如，1可能对应高电压，0对应低电压）。
   • 当晶体管导通后，电容器开始与位线进行电压共享，导致位线电压发生微小变化：
     • 如果电容器中存储的是“1”，它会给位线传递一定电荷，使位线电压稍微升高。
     • 如果电容器中存储的是“0”，电容器的低电压会使位线电压稍微降低。
   • 由于电容器容量很小，所以电压差非常微小，通常仅为几十毫伏。

3. 感应放大器放大信号：

   • 位线与感应放大器连接后，感应放大器会检测位线上的微小电压差并放大：
     • 当位线电压微微升高时，感应放大器将位线电压拉高至“1”状态（接近供电电压）。
     • 当位线电压微微降低时，感应放大器将位线电压拉低至“0”状态（接近地电位）。
   • 通过感应放大器的放大操作，数据被可靠地放大，便于后续的读取。

4. 数据刷新（恢复电荷）：

   • 由于电容器在与位线共享电压时发生了一定程度的放电，导致电荷减少，因此需要重新写回原有的数据。感应放大器会将读出的数据重新写回电容器，以恢复其电荷状态。
   • 恢复电荷后，电容器重新保持其原来的数据，确保数据在读操作后没有丢失。

5. 行线关闭：

   • 读出数据并刷新后，行线电压被降低到0V，关闭晶体管，断开电容器与位线的连接。

读操作中各部分电压变化总结

• 行线：从0V拉到高电压（激活晶体管），读取完成后降回到0V。
• 电容器：最初处于存储的电压状态，在与位线共享电压后可能略微降低，通过刷新后恢复到原始电压。
• 位线：初始为参考电压（V_ref），与电容器共享电压后发生微小电压变化，随后被感应放大器放大到逻辑“1”或“0”。
• 感应放大器：检测并放大位线上的微小电压差，将其拉高到“1”或拉低到“0”，同时负责刷新电容器中的电荷。

通过上述电压变化，DRAM成功完成数据的读取操作，并保持数据完整性，以确保后续访问。

DRAM刷新过程中的电压变化步骤

1. 行地址解码并激活行线：

   • 刷新操作会逐行执行，因此控制电路会通过行地址解码器选择一行，并将该行线拉到高电压（接近供电电压，如1.2V或1.8V），从而激活该行上的所有存储单元。
   • 行线高电压使该行上的所有晶体管导通，将电容器与位线连接。

2. 电容器与位线的电压共享：

   • 与读操作相同，当电容器与位线连接后，电容器中的电荷会导致位线电压发生微小变化：
     • 如果电容器中原本存储的是“1”，位线电压会稍微升高。
     • 如果电容器中存储的是“0”，位线电压会稍微降低。
   • 这种微小的电压差是电容器与位线间的电压共享的结果。

3. 感应放大器放大信号：

   • 感应放大器会检测位线上的微小电压差，并将其放大到逻辑电平，即拉高到接近供电电压（表示“1”）或降低到接近地电位（表示“0”）。
   • 通过放大器的放大操作，将放大的信号重新写回位线，以确保电容器中电荷得到恢复。

4. 电荷恢复：

   • 由于电容器在位线电压共享过程中可能出现少量放电，感应放大器通过写回操作重新给电容器充电，确保电容器的电压恢复到初始状态。
   • 通过恢复电荷，存储在电容器中的“1”或“0”得以保持。

5. 行线关闭：

   • 电荷恢复完成后，行线电压被降低到0V，关闭晶体管，断开电容器与位线的连接。
   • 该行的刷新操作完成，接下来会继续刷新其他行，直到整个存储阵列都被刷新。

刷新过程中各部分电压变化总结

• 行线：从0V拉到高电压（激活晶体管），刷新完成后降回0V。
• 位线：初始为参考电压（V_ref），与电容器共享电压后发生微小电压变化，随后被感应放大器放大到“1”或“0”。
• 电容器：与位线共享电压后可能略微降低，通过感应放大器重新充电，恢复到原始电压状态。
• 感应放大器：检测位线的微小电压变化，将其放大为逻辑“1”或“0”，并刷新电容器的电荷。

刷新类型

DRAM通常采用以下几种刷新方式：

1. 全行刷新（All Row Refresh）：逐行刷新每一行，确保所有存储单元的电荷都得到恢复。
2. 自刷新（Self-Refresh）：DRAM在低功耗模式下自动刷新，由内部时钟控制刷新频率。
3. 行间隔刷新（RAS Only Refresh）：通过RAS信号逐行刷新，适合标准使用环境。

通过定期刷新操作，DRAM能够保持数据的完整性，防止因电荷泄漏导致的数据丢失。