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鐵電存儲器基本架構(gòu)

更新時間:2021-01-25      點擊次數(shù):1336

鐵電存儲器的核心是鐵電存儲單元,我們鐵電存儲器的絕大部分電路都是圍繞著存儲單元來設(shè)計的。而鐵電存儲器除了存儲單元組成的存儲陣列外,一般還包括以下幾個模塊:譯碼電路、控制邏輯電路、靈敏放大器模塊、ECC 模塊、數(shù)據(jù)通路、地址通路等。下面將結(jié)合圖 2-7 說明各個模塊的作用。

譯碼電路是任何存儲芯片都必須的一種電路結(jié)構(gòu),它用于將每一個地址變成One-hot(一位有效)的控制信號來控制存儲單元。由于存儲單元在陣列中呈矩形陣列式排布,必須有一個譯碼模塊來將存儲單元進行定位,目的是讓外部控制邏輯,如靈敏放大器等,來對存儲單元進行讀寫操作。譯碼模塊一般分為行譯碼和列譯碼,分別對應(yīng)矩形存儲陣列的行和列。外部地址傳導(dǎo)到行譯碼器和列譯碼器后,兩個譯碼模塊都將輸出一個 One-hot 的信號連接到存儲陣列,這兩根信號相交叉的點即是外部電路需要進行讀寫操作的存儲單元。

靈敏放大器電路的目的是將存儲陣列中讀出的數(shù)據(jù)的電壓進行放大。在前文中對存儲單元讀寫時序的介紹中我們?到,在讀出數(shù)據(jù)時,我們需要給存儲單元施加 PL 脈沖,同時使 WL 變?yōu)楦唠娖剑瑥亩硅F電電容在位線上釋放電荷,釋放電荷后位線上便會產(chǎn)生電壓。位線上產(chǎn)生的電壓有兩個特點,一是兩根互補的位線上的電壓有一定的差距,一根位線上的電壓會比另一根位線上的高;二是兩根位線上的電壓都不是全擺幅,高電壓的位線電壓達不到電源電壓,低電壓的位線電壓也大于 0。而存儲器的外圍電路,如數(shù)據(jù)鎖存、ECC 等,都是數(shù)字邏輯,只能識別電源電壓或接地電壓。所以我們需要在存儲陣列和外圍數(shù)字邏輯之間加入一個靈敏放大器,用于將兩根位線上的電壓放大到全擺幅,放大過后再輸出到外圍的數(shù)字邏輯電路。

ECC 電路全稱為錯誤檢查修正(Error Correct Code)電路,它用于對存儲數(shù)據(jù)的檢查和修正。ECC 修正存儲數(shù)據(jù)錯誤的方法是在存儲器中添加一些冗余單元,然后將 ECC 編碼譯碼電路放在存儲器的數(shù)據(jù)通路上,對數(shù)據(jù)進行 ECCs 的編碼譯碼設(shè)計。當存儲器存入 k 位數(shù)據(jù)時,數(shù)據(jù)便會經(jīng)過 ECC 編碼電路,編碼電路會將 k 位數(shù)據(jù)編碼得到 n 位碼字,再將 n 位碼字存儲到冗余的陣列之中。如果存儲的數(shù)據(jù)有任何一位發(fā)生錯誤,則在讀取數(shù)據(jù)時,讀出的數(shù)據(jù)會經(jīng)過 ECC 譯碼電路,譯碼器會將錯誤進行修正,恢復(fù)正確的 k 位數(shù)據(jù)。具體到本文的存儲器設(shè)計,k 32,n 6。

控制邏輯模塊的作用顧名思義,就是控制電路中其余各個模塊的正常工作。具體來說就是,控制邏輯模塊會接收來自芯片外部的控制信號,如片選信號、寫使能信號、讀使能信號等,根據(jù)外部信號的行為,產(chǎn)生一定的時序邏輯信號,并輸出到電路中的其余模塊中,如靈敏放大器、數(shù)據(jù)鎖存、地址鎖存等,以控制其他模塊的工作??刂七壿嬆K是存儲器能正常工作的核心模塊,只有在這個模塊輸出的信號控制之下,其他模塊才能正常的互相協(xié)作運行。

數(shù)據(jù)通路和地址通路的作用可以理解為暫存數(shù)據(jù)和地址。對于數(shù)據(jù)通路而言,芯片外部想要寫入存儲陣列的數(shù)據(jù)需要入緩存等待,等待的原因有以下幾點:一是我們不一定會將每一次外部寫入的數(shù)據(jù)都單獨寫入存儲陣列,我們有可能需要等待外部連續(xù)寫入幾組數(shù)據(jù)后,再將數(shù)據(jù)鎖存中的數(shù)據(jù)一次性寫入存儲陣列;二是由于 ECC 電路的存在,我們每次將數(shù)據(jù)寫入存儲陣列前,都需要將存儲陣列中的數(shù)據(jù)讀取出來,然后把新數(shù)據(jù)存入后重新讓 ECC 模塊進行編碼,然后才能再將數(shù)據(jù)寫入存儲陣列;三是控制邏輯模塊是控制數(shù)據(jù)寫入存儲陣列的模塊,但是當外部數(shù)據(jù)進入存儲器后,控制邏輯模塊需要一定的時間準備并產(chǎn)生相應(yīng)的時序控制信號后,才能將數(shù)據(jù)寫入存儲陣列。所以由于以上因素,必須有一個數(shù)據(jù)通路來暫存數(shù)據(jù),并且可能不止需要一個數(shù)據(jù)鎖存器(圖 2-7 中只畫出一個)。對于地址鎖存而言,原理跟數(shù)據(jù)鎖存類似,在地址信號進入存儲器內(nèi)部后,需要等待控制邏輯做出相應(yīng),地址信號才能傳導(dǎo)至譯碼模塊,所以需要一個地址鎖存器來作為地址緩存,防止存儲器發(fā)生錯誤。 

以上介紹的便是鐵電存儲器所必需的基本電路架構(gòu),這些電路模塊是鐵電存儲器設(shè)計中的基礎(chǔ)模塊。但是由于鐵電存儲器所使用的鐵電電容,相較于其他類型的存儲器具有一定的特殊性,我們需要考慮鐵電存儲器本身的特點,加入其他的輔助電路,以使鐵電存儲器高效、正確的運行。

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