Einführung in den SRAM-Speicher (statischer Direktzugriffsspeicher)

Es gibt eine Reihe von Speichermedien, die Sie in Ihrem Computer verwenden können, wie z.B.  Sprunglaufwerk (jump drive) und SSD. In diesem Beitrag von MiniTool wird Ihnen nun der SRAM-Speicher vorgestellt.

Überblick über SRAM-Speicher

Zunächst einmal, worum handelt es sich beim SRAM-Speicher? Es ist die Abkürzung für statischen  Random-Access Memory, eine Art Halbleiter-Direktzugriffsspeicher. Er speichert jedes Bit mit Hilfe einer bistabilen Verriegelungsschaltung (Flip-Flop).

SRAM verfügt über eine gewisse Datenpermanenz, ist aber im herkömmlichen Sinne flüchtig. Wenn der Speicher nicht eingeschaltet ist, gehen die Daten irgendwann verloren.

SRAM-Speicher unterscheidet sich von DRAM-Speicher, da DRAM periodisch aufgefrischt werden muss. SRAM ist schneller und teurer als DRAM. Es wird normalerweise für den CPU-Cache verwendet, während DRAM für den Hauptspeicher des Computers verwendet wird.

Es gibt einige Vor- und Nachteile von SRAM-Speicher, die im Folgenden aufgeführt sind:

• Vorteile: Einfachheit (ohne Auffrischungsschaltung), Leistung, Zuverlässigkeit, geringer Stromverbrauch im Leerlauf.
• Nachteile: Preis, Dichte, hoher Stromverbrauch.

Der Stromverbrauch von SRAM variiert stark in Abhängigkeit von der Zugriffsfrequenz. In einigen Fällen kann es so viel Strom verbrauchen wie dynamisches RAM, wenn es mit hohen Frequenzen verwendet wird, und einige ICs können bei voller Bandbreite viele Watt verbrauchen.

Auf der anderen Seite verbraucht SRAM, das mit einer etwas langsameren Geschwindigkeit verwendet wird, wie z. B. in Anwendungen mit mäßig getakteten Mikroprozessoren, sehr wenig Strom und verbraucht im Leerlauf fast vernachlässigbar wenig Strom – etwa ein paar Mikrowatt. Es wurden mehrere Techniken vorgeschlagen, um die Leistungsaufnahme von SRAM-basierten Speicherstrukturen zu verwalten.

Verwendungen von SRAM-Speicher

SRAM-Speicher kann an vielen verschiedenen Stellen eingesetzt werden, und in diesem Teil werden die Verwendungsmöglichkeiten von SRAM-Speicher erläutert.

Zeitgenössische SRAM-Geräte

Sie können SRAM auf Allzweckprodukten und Chips finden.

Allzweckprodukte

• Mit einer asynchronen Schnittstelle.
• Mit einer synchronen Schnittstelle.

Integriert auf Chip

• Als RAM oder Cache in Mikrocontrollern (meist von 32 Byte bis 128 KB).
• Als Haupt-Cache in leistungsfähigen Mikroprozessoren (von 8 KB bis zu mehreren Megabyte).
• Zur Speicherung von Registern und Teilen der State-Machines, die in einigen Mikroprozessoren verwendet werden (siehe Registerdatei).
• Auf einem dedizierten IC oder ASIC (normalerweise in der Größenordnung von Kilobytes).
• In Feldprogrammierbares Gate-Array und Komplexes programmierbares Logikgerät.

Eingebettete Verwendung

Statisches RAM findet man in vielen Kategorien von industriellen und wissenschaftlichen Subsystemen, Automobilelektronik und ähnlichen Produkten. Fast alle modernen Geräte, Spielzeuge und so weiter, die elektronische Benutzerschnittstellen implementieren, betten auch eine gewisse Datenmenge (Kilobyte oder weniger) ein. Bei komplexen Produkten wie Digitalkameras, Mobiltelefonen, Synthesizern usw. können Gigabytes verwendet werden.

Dual-Port-SRAM wird manchmal in digitalen Echtzeit-Signalverarbeitungsschaltungen verwendet.

In Computern

SRAM wird auch in Personal Computern, Workstations, Routern und Peripheriegeräten verwendet: CPU-Registerdateien, interne CPU-Caches und externe Burst-Mode-SRAM-Caches, Festplattenpuffer, Router-Puffer, usw. Auch LCD-Bildschirme und Drucker halten das angezeigte (oder zu druckende) Bild typischerweise durch Verwendung von statischem RAM. Einige frühe Personal Computer (wie ZX80, TRS-80 Model 100 und Commodore VIC-20) verwendeten SRAM-Speicher als Hauptspeicher.

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Hobbybastler

Aufgrund der einfachen Anbindung bevorzugen Bastler, insbesondere Selbstbau-Prozessor-Enthusiasten, meist SRAM. Im Vergleich zu DRAM ist es einfacher zu verwenden, da es keine Auffrischungszyklen gibt und die Adress- und Datenbusse direkt zugänglich sind. Zusätzlich zu den Bussen und Stromanschlüssen benötigt SRAM typischerweise nur drei Bedienelemente: Chip-Enable (CE), Write-Enable (WE) und Output-Enable (OE). Bei synchronem SRAM ist auch der Takt (CLK) enthalten.

Arten von SRAM-Speicher

Nichtflüchtiges SRAM (NV-SRAM)

Nichtflüchtiges SRAM (nvSRAM) besitzt die Standard-SRAM-Funktionalität, speichert aber Daten, wenn die Stromversorgung ausgeschaltet ist, und gewährleistet so den Erhalt kritischer Informationen. nvSRAM wird bei vielen Gelegenheiten eingesetzt, wie z. B. in Netzwerken, in der Luft- und Raumfahrt und in der Medizintechnik, wo der Erhalt von Daten sehr wichtig ist und wo die Batterie unpraktisch ist.

Pseudo-SRAM (PSRAM)

PSRAM verfügt über einen DRAM-Speicherkern und ist mit einer Selbstauffrischungsschaltung ausgestattet. Sie erscheinen äußerlich als ein langsameres SRAM. Im Vergleich zu echtem SRAM haben sie Dichte-/Kostenvorteile ohne die Zugriffskomplexität von DRAM.

Nach Transistortyp

• Bipolare Sperrschichttransistoren (für TTL und ECL) – sehr schnell, verbrauchen aber viel Strom.
• MOSFET (in CMOS verwendet) – geringer Stromverbrauch und heute sehr verbreitet.

Nach Funktion

• Asynchron – unabhängig von der Taktfrequenz; Dateneingabe und -ausgabe werden durch Adressübersetzung gesteuert.
• Synchronisation – das gesamte Timing wird durch eine Taktflanke ausgelöst. Adressen, Dateneingänge und andere Steuersignale sind auf die Taktsignale bezogen.

Nach Funktion

• Null-Bus-Umkehr (ZBT)
• syncBurst (syncBurst SRAM oder Synchron-Burst SRAM)
• DDR-SRAM
• Vierfach-Datenrate-SRAM

Nach Flip-Flop-Typ

• Binäres SRAM
• Ternäres SRAM

Zustände von SRAM

SRAM-Zellen haben drei verschiedene Zustände: Standby (die Schaltung ist im Ruhezustand), Lesen (Daten werden angefordert) oder Schreiben (Inhalt wird aktualisiert). SRAM, das im Lese- und Schreibmodus arbeitet, sollte „lesbar“ bzw. „schreibfest“ sein.