Podręcznik

4.7. Statyczna pamięć RAM

Komórką pamięci statycznej RAM jest podstawowy przerzutnik statyczny omawiany w punkcie 3.2.1, uzupełniony o dwa tranzystory nMOS pełniące rolę bramek transmisyjnych, które służą do wyboru danej komórki do zapisu i odczytu, w zależności od stanu linii słowa. Schemat takiej sześciotranzystorowej komórki pamięci wraz z (pokazanymi w pewnym uproszczeniu) układami zapisu/odczytu pokazuje rysunek 4-3. Jak pokazuje ten rysunek, typowa komórka pamięci statycznej jest połączona poprzez tranzystory nMOS z dwoma liniami bitu, na których pojawia się zapisywany lub odczytywany bit oraz jego negacja. Gdy linia słowa jest w stanie „1”, tranzystory nMOS są włączone i komórka komunikuje się z obydwoma liniami bitu. Gdy linia słowa jest w stanie „0”, tranzystory nMOS są wyłączone. Przerzutnik statyczny w komórce pamięci trwa w stanie, jaki został ostatnio zapisany. Zapis wymaga wyboru komórki przez podanie „1” na linię słowa oraz podania „1” na wejście sterujące ZO. Otwierają się wówczas bramki transmisyjne zapisu (na schemacie po lewej stronie), i bit do zapisu oraz jego negacja są podawane na linie bitu i jego negacji. Równoczesne podawanie bitu i jego negacji przyspiesza proces zmiany stanu przerzutnika, ponieważ nowy stan podawany jest równocześnie na wejścia obu inwerterów przerzutnika. Przy odczycie (ZO w stanie „0”) otwarte są bramki transmisyjne odczytu (z prawej strony na schemacie), a napięcia z linii bitu i jego negacji są podawane na wejście różnicowego wzmacniacza odczytu. Ten wzmacniacz jest to komparator napięcia porównujący napięcia na linii bitu i negacji bitu. Jest to układ analogowy (będzie omawiany bardziej szczegółowo dalej). Wzmacnia on różnicę napięć między linią bitu i jego negacji. Zastosowanie tego wzmacniacza przyspiesza proces odczytu. Przy odczycie napięcia na liniach bitów zmieniają się stopniowo (potrzebny jest czas na ładowanie lub rozładowywanie pojemności tych linii). Ale już bardzo mała różnica napięć na wejściach wystarcza, aby na wyjściu pojawiło się pełne napięcie V_{DD}\ lub 0 (w zależności od stanu logicznego odczytywanego z komórki).

Rysunek 4 3. Komórka statycznej pamięci RAM wraz z układami zapisu/odczytu

Komparator napięcia jako wzmacniacz odczytu dokonuje zarazem regeneracji poziomu jedynki (jeśli odczytywana jest jedynka). Jak widać na rysunku 4-3, odczyt z komórki pamięci odbywa się poprzez bramkę transmisyjną w postaci pojedynczego tranzystora nMOS. Jak już wiemy, powoduje to degradację poziomu jedynki (punkt 2.3.1). Dla oszczędności powierzchni pełnych bramek transmisyjnych CMOS w komórkach pamięci nie używa się. 

Pamięci statyczne są najszybciej działającymi pamięciami typu RAM. Są one jednak dość kosztowne i mają ograniczoną pojemność, ponieważ komórki tych pamięci, liczące aż 6 tranzystorów, zajmują dużo miejsca. Zaletą pamięci statycznych jest to, że nie wymagają one do produkcji specjalnej technologii wytwarzania. Mogą być zatem bez trudności stosowane jako na przykład części składowe mikroprocesorów (pamięci podręczne typu "cache"). Jednym z głównych czynników ograniczających szybkość działania pamięci statycznych jest konieczność ładowania lub rozładowywania dużej pasożytniczej pojemności linii bitu. Dlatego, jak już wcześniej mówiliśmy, liczba komórek dołączonych do linii bitu nie może być zbyt duża. Dla pamięci o większej pojemności stosuje się omawiane wcześniej bardziej złożone schematy organizacji pamięci.

W praktyce projektowania układów ASIC bardzo rzadko zdarza się potrzeba zaprojektowania pamięci statycznej od początku, tj. zaprojektowania komórek, całej matrycy dekodera adresów oraz układów wejścia/wyjścia. Profesjonalne systemy projektowania dysponują możliwością automatycznej generacji projektu pamięci o zadanej pojemności i organizacji. Potrzebne do tego dane, schematy i topografie komórek, układów wejścia/wyjścia itp. dostarczają producenci układów.