（电力电子与电力传动专业论文）高速低耗bicmos存贮器（memory）的设计与仿真研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep e r f o r m a n c eo fc o m p u t e rh a sd e v e l o p e dr a p i d l ys i n c et h ea d v e n to ft h e c o m p u t e rf o rf i f t yy e a r sa n de s p e c i a l l yt h et e c h n o l o g yo f t h ec p u h a sa d v a n c e dm u c h f a s t e rh o w e v e r ，t h ed e v e l o p m e n to ft h e c o m p u t e r sm e m o r yl a y s b e h i n dt h e d e v e l o p m e n to fc p u i te f f e c t s t h ec o m p u t e r sp e r f o r m a n c eb a d l ys oi t b r i n g s f o r w a r dh i g h e rr e q u e s tt ot h em e m o r yi n c l u d i n gq u a l i f i c a t i o n so fh i g h i n t e g r a t i o n d e n s i t y , l o w - p o w e ra n dh i g h - s p e e d b i c m o s ( b i p o l a rc o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r ) t e c h n o l o g y c o m b i n e sb i p o l a rd e v i c ew i t hc m o sd e v i c ee f f e c t i v e l y , s oi tn o to n l yh o l d sc m o s c i r c u i t sv i r t u e so fl o wp o w e r ，h i 幽i n t e g r a t i o nd e n s i t y , b u ta l s oo b t a i nb i p o l a r c i r c u i t sm e r i t so fh i 【g h s p e e ds t r o n gd r i v i n gp o w e r s op e o p l e a r ei n c r e a s i n g l y a t t a c h i n gm u c hi m p o r t a n c et ot h et e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s t h es r a md e s i g n e di nt h i sd i s s e r t a t i o na d a p t sa d v a n c e db i c m o st e c h n o l o g y ， b a n ks t r u c t u r e ，c s e am e m o r yc e l la n da d v a n c e de n c o d i n gt e c h n o l o g y i tw i l l i m p r o v et h es t o r a g ep e r f o r m a n c eg r e a t l y f i n a l l y ，s r a m sp a r t i a lu n i tc i r c u i t sh a v e b e e ns i m u l a t e da g a i na n da g a i ni n t h i sd i s s e r t a t i o na n dt h ef a l lc i r c u i th a sa l s ob e e n s i m u l a t e db ys o f t w a r e s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h ed e s i g n e ds r a m sc a p a c i t y c e l lh a sr e a c h e d1ma n di t sp o w e rc o n s u m p t i o ni s1 7 8 wl o w e r3 3 一p o w e rs u p p l y d e s i g no b j e c t i v ei sp e r f o r m e di nh i 出s p e e d ，h i g ha c c u r a c ya n dl o wp o w e ra s a w h o l e a c c o r dt op e r f o r m a n c ei n d e xi nt h es r a mc i r c u i ta n de x i s t i n gt e c h n o l o g i c a l l e v e lo fi c ，t e c h n o l o g i c a ld e s i g np o i n t su s e dt ot h es r a m a r ec o n c i s e l yp r o p o s e di n t h i sd i s s e r t a t i o n k e yw o r d s ：b i c m o st e c h n o l o g y , s r a m ，b a n k 1 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：历红镟 导师签名：玩主 签字日期：土。6 年于月2 矿日签字日期：立o o 坼占月豆8 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话； 邮编： 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：视镟 日期：妇p 5 年6 月 工8 日 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 b i c m o s 技术的研究进展 双极型晶体管( b i p o l a rj u n c t i o nt r a n s i s t o r ，简称b j t ) 是单、双极型两类 晶体管的第一种类型。b j t 的工作状态由两个结的偏置决定，分为n p n 和p n p 型两种。该类型器件具有高速、强电流驱动能力、低噪声、低失调等优点，在许 多高速运用场合具有明显的性能优势，但功耗及器件尺寸大的缺点阻碍了它在超 大规模集成电路( v l s i ) 中的应用。场效应晶体管( f e t ) 是第二种类型的晶体 管，它包括金属氧化物半导体场效应管( m o s f e t ) 和结型场效应管( j f e t ) 两种。m o s f e t 自7 0 年代诞生以后就以其低功耗、高集成度的突出优点逐步取 代b j t ，m o s 管尤其是c m o s 技术得到了迅速发展，并成为i c 制造的主流工 艺。但m o s 管跨导小、驱动能力差，因此m o s 管及c m o s 电路的工作速度明 显比双极型电路低，在需要高速和驱动大负载电容运行的场合，只能以增大功耗 及器件尺寸为代价来采用双极电路。 然而，在许多场合既需要快速又需要低耗和高集成度，这两者看起来是一对 矛盾，因此能否设计出一种集双极型与c m o s 器件各自优点于一身的新型的器 件、电路和结构来解决这一矛盾呢? b i c m o s ( b i p o l a rc o m p l e m e n t a r y m e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r ，双极互补金属氧化物半导体) 兼容技术便应运而生。 b i c m o s 技术把双极器件与c m o s 器件同时集成在同一块芯片上，这种电路结 构集中了双极器件的高速、高跨导、强驱动能力和c m o s 器件低功耗、高集成 度的优点，因此性能明显超越了单一工艺电路，而且这些优点已为二十多年来的 b i c m o s 电路设计与开发的理论与实践所证实。以双极、c m o s 、b i c m 0 s 三种 逻辑电路为例，图1 1 对这三种工艺所获得的主要性能做了定性比较。 2 0 世纪7 0 年代，有人提出的方案是将双极电路与c m o s 电路按各自的工艺 分别制作并通过单元间的互连构成，尽管是在同一片芯片上，但受到工艺、互连 等众多因素的影响，集成度与速度性能的提高十分有限。早期的b i c m o s 电路 对双极型器件的功耗采取了一定的限制措施。b i c m o s 技术的优点是从c m o s 第1 章绪论 工艺发展而束的，最初采取的方法是在双阱c m o s 工艺上融合了一些辅助的步 骤，在不降低c m o s 器件特性的前提下制备双极型器件。 功耗 图i1三种逻辑电路的性能比较 b i c m o s 技术大致可以划分为以下三类：( 1 ) 低成本、中速、5 v 数字b i c m o s 技术；( 2 ) 高性能、高成本、5 v 数字b i c m o s 技术；( 3 ) 模拟数字b i c m o s 技术，前两个工艺包括了在传统c m o s 工艺上额外增加几个掩模，同时在c m o s 结构中集成双极器件，这使当时主要应用于数字电路的c m o s 器件性能有了较 大的提高。代表性的器件有：美国无线电公司分别于1 9 7 2 年和1 9 7 4 年开发出的 铝栅b i c m o s 运算放大器t a 6 4 6 5 、c a 3 1 3 0 ，以及后来日立公司1 9 8 4 年设计出 的b i c m o s 门阵列，并形成了比较规范的b i c m o s 工艺【2 。模拟数字b i c m o s 工艺和5 v 数字b i c m o s 工艺之间的主要区别在于工作电压不同。模拟器件通常 可以工作于变化范围较宽的工作电压和功耗等级下，这些较高的工作电压甚至超 过了使用5 v 兼容b i c m o s 工艺制造的最大工作极限。这些工作电压给器件带来 各种问题，例如热载流子退化( h o t c a r r i e r d e g r a d a t i o n ) 、栅极氧化层击穿、m o s 器件穿通( p u n c h t h r o u g h ) 和双极型器件击穿电压的降低等。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，数字计算机、高速通信，尤其是模拟数字混合 信号的应用领域飞速发展，对电路的高速性能要求大大提高，纯c m o s 电路同 益暴露出它的缺点。例如在高速应用场合，为了在小尺寸条件下实现大电流驱动， 纯c m o s 电路必须要求进一步减薄栅氧化层的厚度t 。以提高器件跨导 = 。 导( 一【，。) ，但这会导致沟道电流密度大为增加( 1 0 1 0 0 a c m 2 ) ， f 麒l 从而使器件可靠性变差，加上短沟道效益和寄生参数的影响，器件截止频率也下 江苏大学硕士学位论文 降( f 。= 1 至一) 。相反，如果采用双极技术则司以比较容易地 、毕_ + 2 鸣帆 v1 0 解决上述问题。经过2 0 余年的并行发展，双极与c m o s 工艺和设备的复杂程度 都大幅度地提高，两者之间界限趋于模糊，融合两种技术的条件业已成熟，所以 b i c m o s 技术重新得到重视，并迅速得到发展口l 。 目前，国外许多公司( i b m 、i n t e l 、t i 等) 已开始将b i c m o s 技术应用在 高密度存储器( s r a m 、d r a m ) 、微处理器( c p u ) 中，产品的性能得到成倍 的增加。现阶段的b i c m o s 电路在功能与性能的提高上发生了质的飞跃，尤其 在高端开发中已融合了最先进的双极技术，如s i g e 、s o l ( 绝缘膜上硅) 、h b t ( 异质结双极晶体管) ，多晶硅发射极、自对准技术等。菲利浦半导体公司用o 2 5 l am 全硅b i c m o s 工艺开发的q u b i c 4r f 芯片具有极高的性价比及频耗比， 它采用多晶硅双极技术使b j t 具有9 0 g h z 的截止频率，芯片可应用于2 5 g h z 的低耗高频无线通信系统，例如i n t e l 公司的p e n t i m np r o 就采用了o 3 5um 的 b i c m o s 工艺。 在过去几年中，器件尺寸缩减至深亚微米( 0 3 5um ) 的过程一直要求半导 体器件的制各工艺严谨苛刻。对于b i c m o s 逻辑门电路，存在着几个有关按比 例缩小器件尺寸的问题。首先，在这样的b i c m o s 门电路中，缩减后的m o s 器件将要求更低的电源电压。然而，在低电源电压( 3 ，3 v ) 下，b i c m o s 门电 路的性能会出现严重的衰减。但这可以通过特别的电路技术和或结构来解决。 例如c b i c m o s ( 互补b i c m o s ) 、b i n m o s 、f s b s c m o s ( 瞬间全摆幅m o s ) 等。其次，在b i c m o s 门电路中，相对于m o s 器件比例缩减双极型器件的过程 必须优化。最后，必须对现有的b i c m o s 器件结构或新出现的b i c m o s 器件结 构进行改进。因此可以说，迅速崛起的b i c m o s 工艺已经成为当今高速、高集 成度硅基集成电路( i c ) 设计的又一个重要的技术平台。但是，b i c m o s 技术 的发展也面临着一些问题。例如，如何在低电压和低功耗设计中提高动态范围? 如何扩展b i c m o s 技术在混合信号应用领域的应用? 本论文将在这些方面做出 相应的探索。 第l 章绪论 1 2 半导体存储器的现状及其发展趋势 计算机中的存储器又称为内存或主存，它能用来作为存储器件和介质，除了 其基本存储单元用两个稳定的物理状态来存储二进制信息外，还必须满足一些技 术上的要求，例如，便于与电信号转换，便于读写操作，速度高，容量大和可 靠性高等。从2 0 世纪5 0 年代开始，磁芯存储器一度成为主要的存储介质。但从 2 0 世纪7 0 年代丌始，逐步被半导体存储器( s c m ：s e m i c o n d u c t o rm e m o r y ) 所 取代，目前绝大部分计算机都使用s c m 。随着超大规模集成电路的发展，数据 处理的速度越来越快，功能越来越强，集成度越来越高，相应她，对半导体存储 器的要求也越来越高。早期的s c m 采用典型的晶体管触发器作为存储位元，加 上选择、读写控制电路等构成。现代的s c m 采用超大规模集成电路( v l s i ) 工艺制作成存储芯片，每个芯片中含有相当数量的存储位元，再由若干个芯片构 成存储系统。 从集成类型的角度来看，s c m 分为晶体管双极型和场效应m o s 型，双极型 又分为射极耦合逻辑( e c l ) ，晶体管一晶体管逻辑( t t l ) 和集成注入逻辑( 1 2 l ： i n t e g r a t e di n e a i o n l o g i c ) 三种类型。从制造工艺看，m o s 型有p m o s 、n m o s 和c m o s 三类，目前广泛采用的是后两类m o s 。从加电后能否长时间保持所存 信息的角度来分，s c m 又有静态存储器和动态存储器之别，前者存储位元电路 是双稳态触发器，后者存储位元的关键部件是电容；信息也只能保存几到十几毫 秒，因此必须在规定的时间内刷新。若电源电压不正常或断电，两者信息都会丢 掉。双极型存储器都是静态存储器，而m o s 型存储器有静、动态之分。 双极型存储器速度快，通常比m o s 存储器至少高一个数量级，但功耗大， 集成度低，适用于快速小容量存储器，如高速暂存存储器和高速缓存存储器 ( c a c h e ) 。n m o s 静态存储器制造工艺简单、集成度高、单片容量大，主要用 作主存。c m o s 静态存储器功耗最小，速度比n m o s 快，集成度比双极型高得 多，可靠性高，虽然制造工艺复杂，目前仍广泛应用，主要用于快速主存和c a c h e 。 动态m o s 存储器内部结构最简单，在各类s c m 中集成度最高，功耗很小，速 度比静念m o s 和双极型存储器低一些。 就制造工艺而言，早期的存储器主要运用全双极工艺，包括了1 2 l 和e c l 等高速逻辑电路；7 0 年代开始利用全c m o s 工艺开发产品，主要以全c m o s 4 江苏大学硕士学位论文 和全n m o s 工艺为主。近年来，由于基于c m o s 工艺制作的电路集成度远高于 双极工艺制作的电路，因此c m o s 制造工艺已经在单片集成存储器中占据了主 导地位。目前，为了进一步提高存储速度，国外一些i c 制造商丌始研发基于 b i c m o s 工艺的存储器，b i c m o s 的突出优点可使存储器极易获得超高速、低 功耗的存储性能，因此必将成为推动存储技术发展的强大动力。 在大量查阅中外文文献资料的基础上，综合国内外静态存储器研发情况，可 以看出，静态存储器正朝着高速度、低电源电压、低功耗、单片化方向发展。主 要的发展趋势是以硅基为主导实现单片集成制造；以c m o s 及b i c m o s 工艺为 技术平台，既可以适应混合信号处理的要求，又满足了与m o s 电路接口的需要， 同时积极采用s o i 、s i g e 、g a a s 等先进的半导体制造技术，努力使工艺特征线 宽达到深亚微米( u 3 2 0 v 0 v ： 。： 一一、曲sf 一一 ，： ；、 f ： 一- -夸五 f ： 一f 一； p蓑 i ：、h p 翠耍誊 i j j： f i 。 h o s 0 、： i 0 j j 一 - - 0 一j 一 l ： ；j 一 卜一卜 | | = = = 1 ； ；一工一一j 一 l - f1 ， l 一 l 一 o gz o n s4 0 n s6 0 n s 口vc u 工) 口。v t u 0 t m e 图21 3 反馈分流全摆幅反相器的瞬态响应曲线 2 3 3 2 利用瞬间饱和技术全摆幅 输出 图2 1 4 的b i c m o s 反相器采用了瞬 间饱和技术 1 3 ，“ ，较好地解决了低压与 高速的矛盾。如图所示，m p l 、m p 2 、 m p 3 管源极并未接到输出端，而是直接 连到d ，以提供较大的驱动电流，从 而使v t l 、v t 2 管加快饱和导通。m y 4 图2 1 4 瞬间饱和式伞拦幅 b j c m o s 反相器 江苏大学硕士学位论文 管用于o 降到地电位时，迅速切断v t 2 管基极电流，因此u o l 口z , s n0 v ，而与 c l 无关。 另外因输出高电平，o h 接近d ，故该电路实现了全摆幅输出。但是，该 b i c m o s 反相器的主要缺点是：要求高质量、完全互补的b i c m o s 工艺技术，以 实现上、下拉部分输出波形的对称性，占用了更多的面积，增加了制造成本。 2 3 3 3高性能互补耦合b i c m o s 电路 这类互补耦合电路在概念上与一对用于构成输出级的互补双极型( 一个p n p b j t 和一个n p n b j t ) 驱动电路密切相关。然而，在这项技术中尽管只使用了一 个p n p ，但仅有的n p n 驱动电路可以确保电路具有增强的重负载驱动能力，以便 补偿p n p 器件的速度性能。三输入端n a n d 门电路c c b i c m o s 实现的结构示意 图在图2 1 5 中给出。n p n 驱动电路通过使用一个小的p n p 器件q p l 来与c m o s 输入极相耦合，n p n 输出驱动电路可以提供更高的速度，尤其是当预期存在较大 负载的情况，从这种意义上说，该电路结构更为有效。因为q p l 的基极电容相对 来说要小于前级的输出电容，所以它将为c m o s 输出端提供更小的寄生负载。 此外采用p n p - n p n 耦合( q ”q i q l ) ，而不是单器件驱动电路，可以实现一种高增 益的放大器件。 v n n 图2 1 5 三输入n a n d 门电路c c b i c m o s 实现结构示意图 1 6 江苏大学硕士学位论文 2 4 本章小结 b i c m o s 电路结合了c m o s 和双极电路各自的优点而获得了优越的性能，针 对传统b i c m o s 逻辑电路的一些不足，本章提出了改进型b i c m o s 逻辑电路，初 步仿真结果表明，它们获得了更好的性能。有些基本的b i c m o s 电路将作为单元 电路嵌入b i c m o s 存储器的设计中。由于b i c m o s 电路具有高速、低耗、高集成 度的特性，它将满足静态b i c m o s 存储器的设计要求。 第3 章b i c m o s 静态存储器的设计方案 第3 章b i c m o s 静态存储器的设计方案 3 1存储器分类及其主要性能指标 计算机问世5 0 多年来，存储技术迅速发展，不断出现新的存储介质和存储 位元器件。因而计算机的存储器种类不断增加、功能不断增强、容量大幅度提高。 不仅存取方式多种多样，而且速度差异悬殊，保存信息的手段更是千差万别。下 面从四个不同的角度对存储器进行分类。 1 按存储器在计算机中的作用分类 ( 1 ) 高速暂存存储器( s c r a c h - p a ds t o r g e ) 亦称便笺式存储器，是由寄存 器构成，在速度上与c p u 匹配，因此有的文献上称之为寄存器型存储器。 ( 2 ) 高速缓冲存储器( c a c h e )这种存储器属于c p u ，位于主存和c p u 之间，存放当前f 在执行程序的部分程序段或数据，以便向c p u 快速提供即刻 要执行的指令或马上要处理的数据。 ( 3 ) 主存储器它存放当前处于活动状态的程序和有关数据，包括操作系 统的常驻部分和当前正在运行的程序和欲处理的数据。 ( 4 ) 辅助存储器即外存，属于外围设备的范畴。 ( 5 ) 其他功能存储器。 2 按存储介质分类 ( 1 ) 半导体存储器s c m ( s e m i c o n d u c t o rm e m o r y )早期的s c m 采用典 型的晶体管触发器作为存储位元，加上选择、读写等电路构成存储器。现代的 s c m 采用超大规模的集成工艺制成存储芯片，每个芯片包含相当数量的存储位 元，再由若干芯片构成存储器。从上电后能否长时间保持所存信息的角度，它又 有静态存储器和动态存储器之分，前者的存储位元电路是双稳念触发器，后者的 存储位元电路之关键部件是电容。因此，双极型存储器都是静态存储器，而m o s 型存储器则有静态和动态之分。 ( 2 ) 磁表面存储器m s m ( m a g n e t i c s u r f a c em e m o r y ) 用非磁性金属或塑 料作基体，在其表面涂敷、电镀、沉积或溅射一层很薄的高导磁率、硬矩磁材料 江苏大学硕士学位论文 的磁面，用磁层的两种剩磁状念记录信息1 或0 。 ( 3 ) 光盘存储器o d m ( o p t i c a l d i s k m e m o r y )与m s m 类似，它也是将 用于记录的涂层涂敷在基体上构成记录介质。 ( 4 ) 铁电存储器f e m ( f e r r o e l e c t r i cm e m o r y ) 8 0 年代末，由于铁电薄膜 技术的突破，铁电存储器发展很快，它用两种极化状态表示信息1 或“0 ”， 因其所需电压低，存取速度快，加上可以高密度集成，故f e m 有望成为动态存 储器的替代品。 3 按存储方式分类 ( 1 ) 随机存储器r a i v l ( r a n d o m a c c e s sm e m o r y )它以存储单元为单位 提供访问，其c p u 通过指令可以随机写入或读出信息。 ( 2 ) 按内容寻址存储器c a m ( c o n t e n t a d d r e s sm e m o r y )亦称相联存储 器a m ( a s s o c i a t i v em e m o r y ) ，它也是一种随机读写存储器。 ( 3 ) 只读存储器r o m ( r e a do n l ym e m o r y )这种存储器除正常工作时只 能读出信息、不能写入信息外，其他特征均同于r a m 。 ( 4 ) 顺序存储器s a s ( s e r i a l a c c e s ss t o r a g e )存取时间与信息所处的物 理位置有关，速度慢、容量大、成本低，常作为后援辅存。 ( 5 ) 直接存取存储器d a s d a m ( d i r e c ta c c e s ss t o r a g e d i r e c ta c c e s s m e m o w ) 它是介于随机存取和顺序存取之间的一种存储器。其存储信息以块 为单位。 3 2 存储器的主要性能指标 1 存储容量 存储容量指的是主存所能容纳的二进制位个数的总和，即存储位元的总和。 2 存取时间 亦称访问时间，指启动一次存储操作到完成该操作所用时间，用r 表示。 3 存储周期 存储周期亦称访问周期、存取周期、读写周期。指连续两次启动同一存储器， 进行存取操作所需的最小时间间隔，用表示。 4 功耗与集成度 功耗反映存储器件耗电多少，集成度标识单个存储芯片的存储容量。一般希 第3 章b i c m o s 静态存储器的设计方案 望功耗小，集成度高，但两者是矛盾的。对于s c m 来说，有维持功耗和工作功 耗之分，通常要求维持功耗尽量小。 5 性能价格比 性能价格比是一个综合性指标，性能主要包括存储容量、存储周期、存取时 间和可靠性等。价格包括存储器芯片和外围电路的成本。 6 存取宽度 存取宽度亦称总线宽度，即c p u 或i o 一次访存可存取的数据位数和字节 数。存取宽度由编址方式决定。 3 3 静态随机读写存储器( s r a m ) 所有计算机的存储器都有存储数据的机制，但是静态随机读写存储器是独 无二的，因为它利用连接在反馈回路上的有源器件来保存数据【8 。这种有源反 馈在上电情况下，可以允许静态存储器长时间地保存其中的数据。相反地，典型 的动态存储器把电容上的电荷作为它所存储的数据。由于所充电荷存在着漏电现 象，所以动态存储器中的数据将会丢失( 除非被刷新) 。本文研究的静态存储器， 其运行特性高于其他类型的存储器，优点是它能够适合其他特定的微机设备。首 先，静态存储器的存储矩阵用c m o s 器件制各，它具有极低的功耗( uw ) ，故 c m o s 静态存储器被低功耗设备所吸引，例如电池供电的存储系统，而动态存储 器具有刷新时耗能的缺点。其次，静态存储器相对于其他类型的存储器呈现出显 著的快速访问和较短的访问周期。这一优点使得s r a m 广泛用于高速缓冲存储 器( h i g hs p e e db u f f e rm e m o r ya n dc a c h em e m o r y ) 。再者，s r a m 使用同样的技 术，极易应用于大规模存储系统中，例如微处理器( c p u ) 和数字信号处理器 ( d s p ) 。由于在s r a m 存储系统中不但使用了大量的有源器件，而且有源器件 之间需用导线连接，所以它比动态存储器的容量低。 3 3 1 静态存储器的构造和约定 静态存储系统设计有简单的接口，图3 。1 为简化的接口示意图。静态存储器 使用线性阵列字存储单元。每个字单元包含有一定数量的数据( 亦即字) 。字是 系统与静态存储器之间交流的基本单元。由于一个字的所有位都起被读出或写 江苏大学硕士学位论文 入，所以存储器的容量= 字数位数。静态存储器的接口特征是：三种方式输入、 一种方式输出，如图3 i 所示。位地址线上输入的数据宽度与2 “存储字线唯一对 应，表示输入位线。用一位命令符号组决定被选中的单元是读还是写访问。如 果是写命令，则位线数据组提供新数据，写入被选中的位元；若是读命令，行线 读出被选中的字，列线读出字的内容。静态存储器内部包含有大量的存储位元， 每个位元包含一个位数据，位数据是存储单元的基本单位。因此可以把静态存储 位元视为与外晃有三根连线的黑匣子。 地址输入 读写命令 写数据 s r a m 存储位元 读数据 图3 1s r a m 简化接口 ( 1 ) 电源端口这些端口提供持续的电压，从而使存储位元保存它所存数 值或电荷。这些端口在框图中通常被省略，原因是它不传输数据信号，且与每一 存储位元相连。 ( 2 ) 选择端口这一端口用来选择某个位元的读，写功能，通常通过改变电 平大小来完成此项功能。图3 2 中画出了物理连线，连接每个存储位元的水平连 线称为字线，一个字线至少连接一个字宽，通常每个位元都有这一端口。 ( 3 ) 交流端口数据读出或写入存储位元都必须通过这一端口。本文把连 接存储位元交流端口的连接线称为位线。它允许单个位元所存数据读出或写入。 在图3 2 中存储位元的列线称为位线，每个位元都有这样的端口。然而，它通常 需要一对不同的位线来传输互补数据值。本文的存储位元被设计成两维阵列。连 接每一存储位元的字线称为行，而连接每一存储位元的位线称为列。s r a m 内部 结构如图3 2 所示，图中该存储阵列被折叠起来，成为一个正方形的物理阵列。 这样一根字线就可以选择若干个字。 图3 2 中存储阵列的外围框将控制系统发出的地址命令和数值，转换为阵列 所能接受的字线和位线信号。通常，行译码器选择字线，这些字线中有被选中的 字。列译码器则通过位线在这些字中选择所需的位元。通过限制每一矩阵的行数 第3 章b i c m o s 静态存储器的设计方案 和列数来降低功耗。行、列地址译码器的地址分别由l 0 9 2 n ”和l 0 9 2 。产生。同 时，命令和写数据可以直接通过列读写电路进行读或写访问。读或写访问都是 在被选中的字线和位线上进行。由于译码器和列读写电路影响s r a m 的全呵