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作为一个轨范员你不得不知道内存(DRAM)的工作事理_电势_电容

萌界大人物 2025-01-05 04:49:53 0

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二,内存地址

内存中的cell按矩阵形排列,每一行和每一列都会有一个对应的行地址线路(正规叫法叫做word line)和列地址线路(正规叫法是bit line),每个详细的cell就挂接在这样的行地址线路和列地址线路上,对应一个唯一的行号和列号,把行号和列号组合在一起,便是内存的地址。

上图是Thaiphoon Burner的一个SPD dump,每个地址是一个字节。
不过我们可以把这些数据假设成只有一个bit,当成是一个大略的内存地址表,左边竖着的是行地址,上方横着的是列地址。
例如我们要找第七行、倒数第二列(地址为7E)的数据,它就只有一个对应的值:FD。
当然了,在内存的cell中,它只能是0或者1。

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(1)寻址数据要写入内存的一个cell,或者从内存中的一个cell读取数据,首先要完成对这个cell的寻址。
寻址的过程,首先是将须要操作的cell的对应行地址旗子暗记和列地址旗子暗记输入行/列地址缓冲器,然后先通过行解码器(Row Decoder)选择特定的行地址线路,以激活特定的行地址。
每一条行地址线路会与多条列地址线路和cell相连接,为了侦测列地址线路上微弱的激活旗子暗记,还须要一个额外的感应放大器(Sense Amplifier)放大这个旗子暗记。
当行激活之后,列地址缓冲器中的列地址旗子暗记通过列解码器(Column Decoder)确定列地址,并被对应的感应放大器通过连接IO线路,这样cell就被激活,并可供读写操作,寻址完成。
从行地址激活,到找到列地址这段韶光,便是tRCD。

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(图片来自网络侵删)

(2)内存cell的基本操作

内存中的cell可以分为3个基本操作,数据的储存、写入与读取。
为了便于理解,我不打算直接从电路掌握上对cell操作进行解释,而是希望通过模型类最近达到解释问题的目的,如有不严谨之处,高手勿怪。
要对内存cell进行读写操作,首先要完成上述寻址过程,并且电容的充电状态旗子暗记要被感应放大器感应到,并且放大,然后MOSFET打开,电容放电,产生电势变革,把电荷运送到IO线路,导致线路的电势也变革。
当然,这只是个大略的描述,以下我们先来理解硅晶体中“电容”的构造和MOSFET的掌握事理。
(3)硅晶体中的“电容”

这里之以是“电容”两个字被打上引号,是由于硅晶体中并没有真正意义上的电容。
硅晶体中的电容是由两个对置的触发器组成的等效电容。
例如两个非门(Nor Gate)用如下图的办法对接。
它可以通过周期性施加特定的输入旗子暗记,以把电荷保留在电路中,充当电容的浸染。
如下图,两个非门的输入端R和S互相交替做0和1输入,就可以把电荷储存在电路中。
全体动态过程便是这样:

而R和S的波形便是如下图所示,刚好互为反相,差半个周期:

要让电容放电,我们只须要把R和S同时输入1或者0即可。
因此这种电容的逻辑关系很大略:在同一时候R和S输入状态不同(即存在电势差)时,电容为充电状态;在同一时候R和S输入状态相同(即电势差为0)时,电容为放电状态。

三,MOSFET的掌握事理——水库模型

要解释这个MOSFET的掌握事理,我们借助一个水库的模型来解释。
MOSFET有三个极,分别是源极(Source)、漏极(Drain)和栅极(Gate)。
下图左边便是一个MOSFET的电路图,右边是我们画出的一个水库模型。

图中S为源极,D为漏极,G为栅极。
S极连接着电容,D级连接列地址线路,并接到数据IO,G则是掌握电荷流出的阀门,连接行地址线路。
电容在充电后电势会改变,这样S极的电势就会随着改变,与D极形成电势差,而G极的电势,就决定了S极有多少电荷可以流入D极。
由于电子是带负电荷,因此电子越多电势就越低。
为了不至于稠浊观点,我们把池塘顶部电势定为0V,池塘底部电势定为5V(仅举例解释,DRAM中的电容实际电压未必是5V)。
当电子数量越多时,电势越低,靠近0V,电子数量越少时,电势越高,靠近5V。

用水库模型解释,便是左边的池塘水量升高(电容充电后),当阀门关闭时,左边的水是不会往右边流的。
然后阀门打开(降落,电势升高),左边的水就可以往右边流,阀门的高度就决定了有多少水能流去右边的水道(但是在数字电路中,MOSFET只有开和关两种状态,因此下文提到的打开MOSFET便是全开);同样道理如果右边水多,阀门打开之后也可以向左边流。
因此在水库模型中,电容就充当了左边的池塘,而MOSFET的栅极就充当了阀门,列地址线路和IO则充当了右边的水道。

四,储存数据

MOSFET栅极电势为0V时,电容的电荷不会流出,因此数据就可以保存我们可以用2.5V为参考分边界,电容电势低于2.5V时,表示数据0,电势高于2.5V时,表示数据1。
例如上一楼水库模型的左图,电容中储存的电子数高于一半的高度,电势低于2.5V,因此可以表示数据0。
但以上只是理论情形,实际上电容会自然泄电,电子数量会逐渐减少,电势就会逐渐升高,当电势升高到2.5V以上时,数据就会出错,因此每隔一段韶光必须打开MOSFET往电容中充电,以保持电势,这便是刷新。
因此,数据的储存紧张便是对电容中电势的保持操作。

(1)写入数据

数据写入的操作分为写入0和写入1两种情形。
写入前,电容原有的情形可能是高电势与低电势的状态,我们不用管它。
写入0和写入1对cell的操作不尽相同,我们分别来看。

先来看写入0的操作。
写入开始时,IO线路上电势为0(水道处于水位最高点),MOSFET栅极电势升高到5V(水库阀门降到最低),阀门打开,电容中的电势就随着降落(水位升高),直到靠近0V(池塘被灌满),写入0完成,栅极电势降回0V,阀门关闭。

(2)读取数据

读取的时候,对漏极的电压操作跟写入有些不同。
由于水道中的水比池塘中的多,或者说水道的容量比池塘要大得多。
如果水道(漏极)的水为满或者空,在阀门打开的时候很随意马虎涌现水道的水倒灌进池塘的征象,或是池塘的水全部流入水道,这样就有可能导致电容中的电势状态改变,电容对应储存的0或者1也会改变。
以是读取数据的时候,IO线路的电压应为1/2的满电势,即2.5V。

读取也同样分读取0和1两种情形。
在读取之前,电容中的电势该当是大于或者小于2.5V的,分别代表存储了1和0。
由于刷新机制的存在,该当不会许可涌现即是2.5V的情形。

首先看读取0操作。
电容中为低电势(假设为0V,池塘为高水位),IO线路上电势升高至2.5V(这时水道水位比池塘低),MOSFET栅极电势升高到5V(水库阀门降到最低),阀门打开,电容中电势升高(水位降落),但由于水道容量较大,因此水位不会升高太多,但是总归也会有个电势的变低,终极电容与IO线路上的电势都变成0-2.5V的一个中间值,并且靠近2.5V(假设为2.3V)。
这时候感应放大器检测到IO线路上电势低于2.5V,因此识别出0读出。

再看读取1操作。
电容中为高电势(假设为5V,池塘空),IO线路上电势升高至2.5V(这时候水道水位比池塘高),MOSFET栅极电势升高到5V(水库阀门降到最低),阀门打开,电容中电势降落(水位升高),但由于水道容量较大,水位不会降落太多,不过多少也会降落一点(电势会升高),假设升高到2.7V。
这时候感应放大器检测到IO线路的电势高于2.5V,识别出1读出。

以上讲述的只是从cell到内存IO线路的读写操作,至于CPU-IMC-内存的读写操作,不在本文谈论范围。

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