常用存储单元的原理和特点

前言

在芯片设计时，通常需要用到各种类型的存储单元，用以临时或者永久地存储数据。根据应用场合的不同，所用到的存储单元也不同。本文对常见的几个存储单元进行了介绍，并简述了其工作原理和特点。需要特别说明的是，由于作者为数模混合集成电路工程师，因此本文是以作者的角度进行介绍和分析的，侧重于一些类如ADC数据处理，片上修调等小规模电路应用场合。如果读者从事大规模数字集成电路的设计，那么本文的帮助可能非常有限，请您查阅更为专业的文献。

寄存器

图1 寄存器

寄存器是一个芯片设计中的常见模块，例如一个ADC芯片，外部对其配置的数据，ADC转换结果，ADC转换结果计算时的中间数据等通常都是用寄存器进行存储的。我们在写verilog时，也常常定义寄存器类型(reg型)的数据。如图1所示，寄存器通常由D触发器实现，当时钟上升沿到来时，如果需要保存当前D触发器的数据，那么输入MUX将DOUT重新输入D触发器，输出因此保持不变。如果要改变寄存器值，输入MUX将要保存的新的输入DIN输入D触发器。上述两个过程实现了数据的存储和写入。寄存器数据在掉电后当然也就不复存在。

寄存器在数字综合时通过调用标准单元库中的DFF实现。

SRAM

图2 SRAM

SRAM中文名称为：静态随机访问存储器，它的静态，是相对于DRAM而言的，表示在通电时不需要动态刷新就可以持续保存数据，但掉电后数据还是会消失。图2为一个6T SRAM存储单元的电路图，图中M1~M4组成了两个交叉耦合的反相器对，用来锁存数据。当读数据时，字线WL变高使得M5和M6导通，将数据加载到位线上。当写入数据时，同样WL变高使得M5和M6导通，但此时位线被外部写入的数据驱动，外部数据的驱动能力足够强以使得反相器对锁存的数据被改变，新的数据被SRAM存储。

对比寄存器，SRAM是一种更为精简且专用的锁存数据存储结构，存储密度也更高。SRAM通常需要使用fab厂商提供的生成工具产生(Memory Compiler)。

DRAM

图3 DRAM

DRAM中文名称为：动态随机访问存储器，如图3所示，数据被存储在小电容C上，由于每次读取都会让电容上的电荷泄露一些，且即使不读取，电容上的电荷也会慢慢泄露，因此DRAM需要动态刷新来保持数据，这也是DRAM名字的由来。这样的实现方式虽然可以让它单元面积比SRAM小很多，但动态刷新使得其比SRAM浪费更多的空闲功耗。DRAM写入时通过位线对电容充放电即可。

熔丝OTP

上述三种存储单元均为掉电易失型存储，对芯片中的一些临时数据进行储存。但是，芯片中一些数据，例如修调配置数据等，需要在出厂时一次写入且一直保存，上面三种存储单元显然不具备这样的功能。存储这样的数据需要采用掉电不易失存储器，比如MTP,OTP,Flash等等，本文简单介绍一下由熔丝组成的OTP。

图4 熔丝版图(from eetop)

熔丝一般为很细的金属或多晶硅，如图4所示，当熔丝流过很大的电流时，将会被烧断。熔丝的烧写可以用额外的PAD或者通过辅助的数字控制+烧写电路进行，前者只能在封装前进行，后者可在封装后进行。

图5 熔丝OTP

图5为一个简单的熔丝OTP电路图，其中为了保证低功耗，R为阻值很大的电阻。熔丝默认不烧断，因此上电后A点电压为电源值，即逻辑高，反相器输出为逻辑低，也就是熔丝电路默认值为逻辑低。若熔丝被烧断，上电后A点电压为地，也就是逻辑低，反相器输出为逻辑高。因此，可通过是否对熔丝烧写控制该OTP的输出。

EPROM和EEROM

EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)，中文名为：可擦除可编程只读存储器，它是一种可重写的存储器，并且是非易失性的。它通过EPROM编程器进行编程，EPROM编程器能够提供比正常工作电压更高的电压对EPROM编程。一旦经过编程，EPROM只有在强紫外线的照射下才能够进行擦除。为了进行擦除，EPROM的陶瓷封装上具有一个小的石英窗口，这个石英窗口一般情况下使用不透明的粘带覆盖，当擦除时将这个粘带揭掉，然后放置在强紫外线下大约20分钟。

EEPROM(Electrically Erasable Programmable read-only Memory), 是一种电可擦除可编程只读存储器，并且其内容在掉电的时候也不会丢失。在平常情况下，EEPROM与EPROM一样是只读的，需要写入时，在指定的引脚加上一个高电压即可写入或擦除，而且其擦除的速度极快！通常EEPROM芯片又分为串行EEPROM和并行EEPROM两种，串行EEPROM在读写时数据的输入/输出是通过2线、3线、4线或SPI总线等接口方式进行的，而并行EEPROM的数据输入/输出则是通过并行总线进行的。

总结

本文简单介绍了寄存器，SRAM，DRAM，熔丝OTP，EPROM，EEPROM这几种芯片中常用存储单元的原理和特点，限于笔者目前水平有限，更多存储单元希望可以在之后补充说明。对本文请读者们多多指正。