CN108962316B - 基于忆阻器和cmos的内容可寻址存储单元及数据搜索匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于忆阻器和CMOS晶体管的内容可寻址存储单元、读写操作及其数据搜索匹配方法；基于忆阻器和CMOS晶体管的内容可寻址存储单元利用忆阻器的阻变特性和非易失性，由两个忆阻器和两个晶体管以特殊的连接方式构成。内容可寻址单元继承了忆阻器体积小、功耗低、可拓展性强的优点。相较于传统内容可寻址存储单元，内容可寻址存储单元提供了更大的存储空间，实现了更简单的读写操作和数据搜索匹配操作，为内容可寻址存储器设计提供了一种新的思路。内容可寻址存储单元由晶体管和忆阻器共同构成。读写操作以及数据搜索匹配操作通过在单元的输入输出线施加不同的操作电压来实现，读写操作简单，所需步骤少。

Description

基于忆阻器和CMOS的内容可寻址存储单元及数据搜索匹配 方法

技术领域

本发明属于存储器领域，更具体地，涉及一种基于忆阻器和CMOS的内容可寻址存储单元、读写及数据搜索匹配方法。

背景技术

在1971年，蔡少棠首次从理论上证明了第四种基本电路器件忆阻器存在的可能性，忆阻器是除电感，电容以及电阻以外的基本电路器件，它是一种两端器件，这种器件可以由磁通和电荷来定义。之后，蔡少棠等人又提出了忆阻器所具有的基本特性并且给出了其非线性动力学的描述。直到2008年美国惠普实验室的科研人员首次制造出了实际的忆阻器器件，并且给出了实验分析和数学模型，忆阻器的研究才逐渐引起人们的广泛注意。基于忆阻器的阻变特性，忆阻器可以被用作逻辑电路中重要的电气元件。同时基于忆阻器的极高的数据存储密度，利用忆阻器来构建忆阻器阵列，实现新型的存储电路和基于忆阻器阵列的阵列逻辑电路。

内容可寻址存储器(Content-Addressable Memory)是一种特殊的存储器，在搜索匹配电路中得到广泛的使用。对于二值CAM，每个单元中保存逻辑1或者逻辑0，这与普通的二值存储器的作用是一致的，但CAM存储器还可以实现搜索匹配的功能。CAM存储器可以接受一个关键字数据作为输入，然后并行的搜索存储器中是否存在与之匹配的数据，搜索的操作在一个时钟延迟内就可以完成。目前的CAM的尺寸大约为静态晶体管体积的一半，但远大于动态晶体管的尺寸，因此其存储密度是相对较低的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于忆阻器和CMOS的内容可寻址存储单元、读写及数据搜索匹配方法基于具有电压阈值特性的忆阻器，旨在解决现有技术中由于传统基于CMOS的内容可寻址存储器单元所用晶体管器件数目多，器件尺寸大导致的数据存储密度小以及工作能耗高的技术问题。

本发明提供了一种基于忆阻器和CMOS晶体管的内容可寻址存储单元，包括第一忆阻器X、第二忆阻器Y、第一晶体管TX和第二晶体管TY；所述第一忆阻器X的第一端和所述第二忆阻器Y的第一端相连接；所述第一忆阻器X的第二端作为所述内容可寻址存储单元的第三输入端；所述第二忆阻器Y的第二端作为所述内容可寻址存储单元的控制端；所述的第一晶体管TX的漏极作为所述内容可寻址存储单元的第一输入端；所述的第一晶体管TX的源极作为所述内容可寻址存储单元的输出端；所述的第二晶体管TY的源极作为所述内容可寻址存储单元的第二输入端；所述的第二晶体管TY的漏极作为所述内容可寻址存储单元的输出端；所述第一晶体管TX的门极和所述第二晶体管TY的门极相连接；所述的第一忆阻器X的第一端、所述第二忆阻器的第一端、所述第一晶体管的TX的门极和所述第二晶体管TY的门极相连接。

更进一步地，通过在所述第一忆阻器X或第二忆阻器Y的第一端施加超过忆阻器阈值的正向电压时，所述第一忆阻器X或第二忆阻器Y的状态会切换到低阻状态；通过在所述第一忆阻器X或第二忆阻器Y的第二端施加超过忆阻器阈值的反向电压时，所述第一忆阻器X或第二忆阻器Y的状态会切换到高阻态。

更进一步地，当所述第一忆阻器X和所述第二忆阻器Y的状态分别为低阻态和高阻态时，所述内容可寻址存储单元存储的逻辑值为逻辑0；当所述第一忆阻器X和所述第二忆阻器Y的状态分别为高阻态和低阻态时，所述内容可寻址存储单元存储的逻辑值为逻辑1。

更进一步地，在对所述内容可寻址存储单元进行读操作时，其输出高电压表示逻辑1，其输出低电压表示逻辑0；在对所述内容可寻址存储单元进行搜索匹配操作时，其输出高电压表示匹配成功，其输出低电压表示匹配失败。

更进一步地，在对所述内容可寻址存储单元进行搜索匹配操作时，通过在所述第一输入端和所述第二输入端分别输入正电压和零电压实现逻辑1的搜索；通过在所述第一输入端和所述第二输入端分别输入负电压和正电压实现逻辑0的搜索。

本发明还提供了一种基于上述内容可寻址存储单元实现的读操作方法，包括下述步骤：

(1)通过在所述输出端施加充电电压Vc实现对第二晶体管TY充电，使得充电完成后输出端保持高电压状态；

(2)通过在第三输入端施加检测电压Vd来改变输出端的电压状态，并根据输出端的电压状态判断内容可寻址存储单元中的状态，从而实现读操作。

更进一步地，当第一忆阻X的状态为低阻态且第二忆阻器Y的状态为高阻态时，输出端保持高电压状态；当第一忆阻X的状态为高阻态且第二忆阻器Y的状态为低阻态时，输出端电压下降。

本发明还一种基于上述的内容可寻址存储单元的写操作方法，包括下述步骤：

通过在控制端施加零电压，并在第三输入端施加大于第二正向阈值电压Vth2的电压，实现逻辑0的写入；

通过在控制端施加零电压，并在第三输入端施加小于第二负向阈值电压-Vth2的电压，实现逻辑1的写入。

本发明还提供了一种基于上述的内容可寻址存储单元的数据搜索匹配方法，包括：通过在所述第一输入端和所述第二输入端分别输入需要搜索的数据，根据所述输出端的电压状态来判断所述内容可寻址存储单元中的数据是否和所查找的数据匹配。

更进一步地，当需要搜索逻辑1时，在第一输入端和第二输端分别施加第一正向操作电压Vp和零电压，若保存的是逻辑1，则输出端保持高电压状态，若保存的是逻辑0，则输出端电压下降；

当需要搜索逻辑0时，在第一输入端和第二输入端分别施加第一负向操作电压Vn和第一正向操作电压Vp；若保存的是逻辑0，则输出端保持高电压状态，若保存的是逻辑1，则输出端的电压下降。

本发明针对传统基于CMOS的内容可寻址存储单元存尺寸大，功耗多的问题，采用忆阻器和CMOS共同构建内容可寻址存储单元，利用忆阻器的纳米级尺寸来减小存储单元的空间开销，同时忆阻器具有非易失性，在掉电的情况下也能保存状态信息，静态功耗低。因此将忆阻器和CMOS结合使用不仅可以提高存储器的存储密度而且会降低其静态功耗，此外，忆阻器的状态切换速度快可以进步提高存储器的写操作速度。相较于传统的内容可寻址存储器，内容可寻址存储器能够提供更大的存储空间，较低的静态功耗。

附图说明

图1是具有阈值特性的忆阻器的伏安特性曲线；

图2是两个反串联忆阻器的伏安特性曲；

图3是本发明提供的基于忆阻器的内容可寻址存储单元结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明及上述附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在介绍本发明的技术方案之前，首先介绍本发明所使用的忆阻器的相关特性，图1忆阻器的伏安特性曲线示意图；从图1可以看出，当加在忆阻器两端的电压大于等于第一正向阈值电压Vth1时，忆阻器从高阻值状态(阻值记为Roff)变为低阻值状态(阻值记为Ron)，或者保持低阻状态。当加在忆阻器的电压小于等于第一负向阈值电压-Vth1时，忆阻器从低阻值状态变为高阻值状态，或者保持高阻状态。当忆阻器处于高阻值状态时，只有正向偏置会使得它的状态由高阻变为低阻，反向偏置或是无电压偏置，都不会使它的状态发生变化；当忆阻器处于低阻状态时，只有反向偏置会使得它的状态由低阻变为高阻，正向偏置或是无电压偏置，都不会使得它的状态发生变化。

基于上述忆阻器特性，将相同的两个忆阻器X和Y反向串联组成CRS(Complementary Resistive Switch，互补阻性开关)单元，这种结构的伏安特性曲线如图2所示。从图2可以看出，这种结果存在4个阈值电压：第一正向阈值电压Vth1，第二正向阈值电压Vth2，第一负向阈值电压-Vth1以及第二负向阈值电压-Vth2。当施加在忆阻器X和Y的电压大于-Vth1并且小于Vth1时，忆阻器X和忆阻器Y的状态不会发生变化；当施加的电压大于等于Vth2时，忆阻器X和忆阻器Y的状态就会分别变成低阻态Ron和高阻态Roff；当施加的电压小于等于-Vth2时，忆阻器X和忆阻器Y的状态就会分别变成高阻态Roff和低阻态Ron。

由于传统的基于CMOS的内容可寻址存储器的空间开销和功耗都比较大，小于100nm的CMOS晶体管存漏电流问题，所以利用CMOS技术来实现的内容可寻址存储器在功耗和尺寸上很难进一步提升。而本发明中的基于忆阻器和CMOS晶体管的内容可寻址的存储器单元利用忆阻器的小尺寸，非易失性以及阻变特性来减小传统基于CMOS的内容可寻址存储单元的尺寸，降低功耗。

本发明提供了一种基于忆阻器和CMOS晶体管的内容可寻址存储单元，如图3所示，包括第一忆阻器X、第二忆阻器Y、第一晶体管TX、第二晶体管TY、输出线ML、操作控制线r、第一输入线SX、第二输入线SY以及第三输入线c；第一忆阻器X的第一端和第二忆阻器Y的第一端相连接；第一忆阻器X的第二端和所述第三输入线c相连接；第二忆阻器Y的第二端和操作控制线r相连接；第一晶体管TX的漏极和第一输入线SX相连接；第一晶体管TX的源极和输出线ML相连接；第二晶体管TY的源极和第二输入线SY相连接；第二晶体管TY的漏极和输出线ML相连接；第一晶体管TX的门极和第二晶体管TY的门极相连接；第一忆阻器X的第一端，第二忆阻器的第一端，第一晶体管的TX的门极以及第二晶体管TY的门极相连接。其中，第一输入线SX，第二输入线SY和第三输入线c作为内容可寻址存储单元的输入端，用于接收需要搜索的数据以及状态检测信号，数据搜索信号由不同高低电压组合而成，状态检测信号为小于忆阻器正向阈值的电压信号；输出线ML作为内容可寻址存储器的输出端，利用高、低电压状态来表示输出逻辑值；操作控制线r作为内容可寻址存储单元的选择控制端，通过接收不同的高、低电压信号来对忆阻器状态进行控制。

本发明利用忆阻器体积小、状态改变速度快、兼容性好等特点，扩展了内容可寻址的存储器的领域和实现方法，并实现与传统CMOS晶体管存储器的兼容；同时探讨了所述基于忆阻器的内容可寻址的存储单元电路的读、写、数据搜索匹配的实现方法，其目的在于针对本发明提出的基于忆阻器的内容可寻址的存储器单元进行读、写操作以及数据搜索匹配方法。

在本发明实施例中，第一忆阻器X和第二忆阻器Y都具有高阻态Roff和低阻态Ron，忆阻器都是具有电压阈值特性的忆阻器，具有正向阈值电压Vth1和负向阈值电压-Vth1；在忆阻器的第一端施加大于Vth1的正向电压时，忆阻器的状态会切换到低阻状态；在忆阻器的第二端施加一个小于-Vth1的反向电压时，忆阻器的状态会切换到高阻态。

内容可寻址存储单元中的第一忆阻器X和第二忆阻器Y构成CRS(ComplementaryResistive Switch，互补阻性开关)单元。CRS单元具有4个电压阈值：第一正向阈值电压Vth1，第二正向阈值电压Vth2，第一负向阈值电压-Vth1和第二负向阈值电压-Vth2。当施加在忆阻器X和Y的电压大于-Vth1并且小于Vth1时，忆阻器X和忆阻器Y的状态不会发生变化；当施加的电压大于等于Vth2时，忆阻器X和忆阻器Y的状态就会分别变成低阻态Ron和高阻态Roff；当施加的电压小于等于-Vth2时，忆阻器X和忆阻器Y的状态就会分别变成高阻态Roff和低阻态Ron。

内容可寻址存储单元使用第一忆阻器X和第二忆阻器Y的不同状态来编码存储信息。当第一忆阻器X和第二忆阻器Y的状态分别为低阻态Ron和高阻态Roff时，内容可寻址存储单元存储的逻辑值为逻辑0；当第一忆阻器X和第二忆阻器Y的状态分别为高阻态Roff和低阻态Ron时，内容可寻址存储单元存储的逻辑值为逻辑1。

在本发明实施例中，输出线ML上的电压值作为内容可寻址存储单元读操作以及搜索配置操作的结果。在读操作中，输出线ML上的高电压表示逻辑1，低电压表示逻辑0；在搜索匹配操作中，输出线ML上的高电压表示匹配成功，低电压表示匹配失败。

在进行数据搜索匹配操作时，第一输入线SX和第二输入线SY不同输入组合表示不同的逻辑值；第一输入线SX和第二输入线SY的输入电压分别为正电压和零电压时表示在内容可寻址存储单元中搜索逻辑1；第一输入线SX和第二输入线SY的输入电压分别为负电压和正电压时表示在内容可寻址存储单元中搜索逻辑0。

内容可寻址存储单元中第一晶体管TX为P型晶体管和第二晶体管TY为N型晶体管，此时在第一输入线SX和第二输入线SY上分别输入第一正向操作电压Vp和0V，其中Vp小于第一正向阈值电压。如果单元中保存的是逻辑1，则第一晶体管TX和第二晶体管TY不会导通，输出线ML将保持高电压状态。如果单元中的逻辑状态为逻辑0，此时第一晶体管不导通，但第二晶体管TY将会导通，输出线ML线放电导致电压下降。当第一输入线SX和第二输入线SY上分别输入第一负向操作电压Vn和第一正向操作电压Vp，其中Vn大于第一负向阈值电压。此时如果单元中保存的是逻辑0则第一晶体管TX和第二晶体管TY都不会导通，输出线ML将保持高电压。如果单元中保存的是逻辑1则第一晶体管TX会导通，第二晶体管TY不导通，输出线ML放电，电压下降。借此可以实现对所述内容可寻址存储器的数据搜索匹配操作。如果将第一晶体管TX和第二晶体管TY的类型互换，则第一输入线SX和第二输入线SY的施加电压也要互换才能达到相同的效果。

本发明还提供了一种基于上述内容可寻址存储单元的读操作方法，包括如下步骤：

(1)通过在所述输出线ML施加充电电压Vc为第二晶体管TY充电使得充电完成后输出线ML保持高电压状态；由于晶体管中存在着扩散电容以及寄生电容，向晶体管TY充电时，实际是对这些电容进行充电，充电完成后输出线ML上就保持高电压状态。

(2)通过在第三输入线c上施加检测电压Vd，所述的第一忆阻的X和第二忆阻器Y的状态会影响所述的第二晶体管TY的门极电压；

如果第一忆阻的X和第二忆阻器Y的状态分别为高阻态Roff和低阻态Ron，晶体管门极处于低电压状态，第二晶体管TY不能导通，因此输出线ML保持高电压状态，输出结果为逻辑1。如果第一忆阻的X和第二忆阻器Y的状态分别为低阻态Ron和高阻态Roff，晶体管门极处于高电压状态，第二晶体管TY导通，因此输出线ML放电，电压下降，输出结果为逻辑0。因此最后根据输出线ML上的电压状态就可以判断内容可寻址存储单元中的状态。

本发明还提供了一种基于上述内容可寻址存储单元的写操作方法，包括：通过在第三输入线c和操作控制线r上施加写电压来改变第一忆阻器X和第二忆阻器Y的状态。具体包括：如果在控制线r上施加零电压，在第三输入线c施加一个大于第二正向阈值电压Vth2的电压，存储单元中的状态就会被设置成逻辑0；如果在控制线r上施加零电压，在第三输入线c施加一个小于第二负向阈值电压-Vth2的电压，存储单元中的状态就会被设置成逻辑1。

本发明还提供了一种基于上述内容可寻址存储单元的数据搜索匹配方法，通过在第一输入线SX和第二输入线SY上输入需要搜索的数据，通过输出线ML上的电压状态来判断内容可寻址存储单元中的数据是否和所查找的数据匹配；具体包括如下步骤：

(1)在输出线ML施加充电电压Vc为第二晶体管TY充电，使得充电后输出线ML上保持高电压状态；由于晶体管中存在着扩散电容以及寄生电容，向晶体管TY充电时，实际是对这些电容进行充电，充电完成后输出线ML上就保持高电压状态。

(2)当需要在内容可寻址存储单元中搜索逻辑1时，第一输入线SX和第二输入线SY上分别输入第一正向操作电压Vp和0V，其中Vp小于第一正向阈值电压。如果单元中保存的是逻辑1，则第一晶体管TX和第二晶体管TY不会导通，输出线ML将保持高电压状态，将输出线ML的高电平状态表示为输入信息和单元中存储的数据状态一致，而所述输出线ML上的低电平状态表示输入信息和存储单元中的数据状态不一致。如果单元中的逻辑状态为逻辑0，此时第一晶体管不导通，但第二晶体管TY将会导通，输出线ML线放电导致电压下降。当要在单元中搜索逻辑0时，第一输入线SX和第二输入线SY上分别输入第一负向操作电压Vn和第一正向操作电压Vp，其中Vn大于第一负向阈值电压。此时如果单元中保存的是逻辑0则所述第一晶体管TX和第二晶体管TY都不会导通，所述输出线ML将保持高电压。如果单元中保存的是逻辑1则所述第一晶体管TX会导通，第二晶体管TY不导通，所述输出线ML放电，电压下降。

在本发明实施例中，内容可寻址存储单元中有两个忆阻器X和Y，N型晶体管TY以及P型晶体管TX；两个晶体管的门极都由节点g的电压来控制，两个忆阻器组成的CRS单元用来存储逻辑数据，并且CRS的不同状态可以影响节点g在执行搜索操作过程中的电压，进而影响两个晶体管的导通情况。检测输出线ML上的电压状态就可以判断CRS上存储的数据与要寻找的数据是否匹配。第一输入线SX和第二输入线SY可作为数据输入线或者逻辑操作的控制线。

表格1

对于内容可寻址存储单元，第一输入线SX和第二输入线SY并不参与写操作的执行，只需控制所述操作控制线r以及第三输入线c上的电压使CRS单元两端的电压大于等于第二正向阈值电压Vth2或者小于等于第二负向阈值电压-Vth2就可以将单元的逻辑状态设置成逻辑0或者逻辑1。相比于写操作，所述内容可寻址单元的读操作需要两步，首先将所述输出线ML进行充电(对所述第二晶体管TY充电)，然后再将一个检测电压Vd施加到c上，检测电压Vd小于第一正向阈值电压。为了防止晶体管TX导通，在执行读操作的整个过程中需要在所述第一输入线SX上施加一个第一正向操作正电压Vp防止其导通，第一正向操作电压Vp应该小于第一正向阈值电压Vth1。单元中忆阻器的不同状态能够影响所述第二晶体管TY的导通与关断，当所述第二晶体管TY导通时，所述输出线ML就放电，电压下降。如果所述第二晶体管TY不导通，所述输出线ML就保持高电压状态。通过读取所述输出线ML的电压状态就可以判断出单元中保存的数据值。

对于所述内容可寻址存储单元的数据搜索匹配操作，需要提供列所述第一输入线SX和第二输入线SY不同状态组合作为逻辑值进行搜索。如表1所示，首先对所述输出线ML进行充电，当要在所述内容可寻址存储单元中搜索逻辑1时，所述第一输入线SX和第二输入线SY上分别输入电压第一正向操作电压Vp和0V。如果单元中保存的是逻辑1，则所述第一晶体管和第二晶体管TY都不会导通，所述输出线ML将保持高电压状态，并且将输出线ML的高电平状态表示为输入信息和单元中存储的数据状态一致，而输出线ML上的低电平表示输入信息和存储单元中的数据状态不一致。如果单元中的逻辑状态为逻辑0，此时的所述第一晶体管TX不导通，第二晶体管TY将会导通，所述输出线ML线放电导致电压下降。当要在单元中搜索逻辑0时，所述第一输入线SX和第二输入线SY上分别输入电压第一负向操作电压Vn和第一正向操作电压Vp，第一负向操作电压Vn应该大于第一负向阈值电压-Vth1。此时如果单元中保存的是逻辑0则所述第一晶体管TX和第二晶体管TY都不会导通，所述输出线ML将保持高电压。如果单元中保存的是逻辑1则第一晶体管TX将导通，第二晶体管TY不会导通，所述输出线ML放电，电压下降。

为了更加清晰的说明所述内容可寻址存储单元的工作原理，读写操作以及数据搜索匹配操作，下面仔细阐述其读写过程及数据搜索匹配过程：

(1)内容可寻址存储单元的读操作：首先通过第一输入线为第二晶体管TY充电，之后在第三输入线c上施加一个检测电压Vd，并且第一输入线和第二输入线分别施加高电平和低电平，此外的第二输入线接地。忆阻器的高、低阻态阻值(Roff和Ron)的比值一般大于10，如果第一忆阻器和第二忆阻器的分别为高阻态Roff和低阻态Ron，则第二晶体管的门极电压接近零电压，第二晶体管TY无法导通，输出线ML将保持高电平状态。如果第一忆阻器和第二忆阻器的分别为低阻态Ron和高阻态Roff，则第二晶体管的门极电压接近高电平，第二晶体管TY导通，输出线ML的电压将变成低电平状态。通过检测输出线ML的电压状态可以判断内容可寻址存储单元存储的逻辑状态。

(2)内容可寻址存储单元的写操作：首先将操作控制线r接地，之后再向第三输入线c上施加写电压，如果写电压的大小大于阈值电压Vth2，内容可寻址存储单元就会被设置成Ron/Roff状态，如果写电压小于阈值电压-Vth2，内容可寻址存储单元就会被设置成Roff/Ron状态。

(3)内容可寻址存储单元的写操作:如表1所示，首先对输出线ML进行充电，当要在内容可寻址存储单元中搜索逻辑1时，第一输入线SX和第二输入线SY上分别输入第一正向操作电压Vp和0V，如果单元中保存的是逻辑1，则第二晶体管TY不会导通，输出线ML将保持高电压状态，并且将输出线ML的高电平状态表示为输入信息和单元中存储的数据状态一致，而输出线ML上的低电平表示输入信息和存储单元中的数据状态不一致。因此如果单元中的逻辑状态为逻辑0，此时第二晶体管TY将会导通，输出线ML线放电导致电压下降。当要在单元中搜索逻辑0时，第一输入线SX和第二输入线SY上分别输入第一负向操作电压Vn和第一正向操作电压Vp。此时如果单元中保存的是逻辑0则所述第一晶体管TX不会导通，输出线ML将保持高电压。如果单元中保存的是逻辑1则晶体管TY将导通，输出线ML放电，电压下降。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于忆阻器和CMOS晶体管的内容可寻址存储单元，其特征在于，包括第一忆阻器X、第二忆阻器Y、第一晶体管TX和第二晶体管TY；

所述第一忆阻器X的第一端和所述第二忆阻器Y的第一端相连接；所述第一忆阻器X的第二端作为所述内容可寻址存储单元的第三输入端；所述第二忆阻器Y的第二端作为所述内容可寻址存储单元的控制端；所述的第一晶体管TX的漏极作为所述内容可寻址存储单元的第一输入端；所述的第一晶体管TX的源极作为所述内容可寻址存储单元的输出端；所述的第二晶体管TY的源极作为所述内容可寻址存储单元的第二输入端；所述的第二晶体管TY的漏极与所述内容可寻址存储单元的输出端相连；所述第一晶体管TX的门极和所述第二晶体管TY的门极相连接；所述第一忆阻器X的第一端、所述第二忆阻器的第一端、所述第一晶体管的TX的门极和所述第二晶体管TY的门极相连接。

2.如权利要求1所述的内容可寻址存储单元，其特征在于，通过在所述第一忆阻器X或第二忆阻器Y的第一端施加超过忆阻器阈值的正向电压时，所述第一忆阻器X或第二忆阻器Y的状态会切换到低阻状态；通过在所述第一忆阻器X或第二忆阻器Y的第二端施加超过忆阻器阈值的反向电压时，所述第一忆阻器X或第二忆阻器Y的状态会切换到高阻态。

3.如权利要求1所述的内容可寻址存储单元，其特征在于，当所述第一忆阻器X和所述第二忆阻器Y的状态分别为低阻态和高阻态时，所述内容可寻址存储单元存储的逻辑值为逻辑0；当所述第一忆阻器X和所述第二忆阻器Y的状态分别为高阻态和低阻态时，所述内容可寻址存储单元存储的逻辑值为逻辑1。

4.如权利要求1所述的内容可寻址存储单元，其特征在于，在对所述内容可寻址存储单元进行读操作时，其输出高电压表示逻辑1，其输出低电压表示逻辑0；在对所述内容可寻址存储单元进行搜索匹配操作时，其输出高电压表示匹配成功，其输出低电压表示匹配失败。

5.如权利要求1-4任一项所述的内容可寻址存储单元，其特征在于，在对所述内容可寻址存储单元进行搜索匹配操作时，通过在所述第一输入端和所述第二输入端分别输入正电压和零电压实现逻辑1的搜索；通过在所述第一输入端和所述第二输入端分别输入负电压和正电压实现逻辑0的搜索。

6.一种基于权利要求1-5任意一项所述内容可寻址存储单元实现的读操作方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)通过在所述输出端施加充电电压Vc实现对第二晶体管TY充电，使得充电完成后输出端保持高电压状态；

(2)通过在第三输入端施加检测电压Vd来改变输出端的电压状态，并根据输出端的电压状态判断内容可寻址存储单元中的状态，从而实现读操作。

7.如权利要求6所述的读操作方法，其特征在于，当第一忆阻X的状态为低阻态且第二忆阻器Y的状态为高阻态时，输出端保持高电压状态；当第一忆阻X的状态为高阻态且第二忆阻器Y的状态为低阻态时，输出端电压下降。

8.一种基于权利要求1-5任意一项所述的内容可寻址存储单元的写操作方法，其特征在于，包括下述步骤：

通过在控制端施加零电压，并在第三输入端施加大于第二正向阈值电压Vth2的电压，实现逻辑0的写入；

通过在控制端施加零电压，并在第三输入端施加小于第二负向阈值电压-Vth2的电压，实现逻辑1的写入。

9.一种基于权利要求1-5任意一项所述的内容可寻址存储单元的数据搜索匹配方法，其特征在于，包括：通过在所述第一输入端和所述第二输入端分别输入需要搜索的数据，根据所述输出端的电压状态来判断所述内容可寻址存储单元中的数据是否和所查找的数据匹配。

10.如权利要求9所述的数据搜索匹配方法，其特征在于，当需要搜索逻辑1时，在第一输入端和第二输端分别施加第一正向操作电压Vp和零电压，若保存的是逻辑1，则输出端保持高电压状态，若保存的是逻辑0，则输出端电压下降；

当需要搜索逻辑0时，在第一输入端和第二输入端分别施加第一负向操作电压Vn和第一正向操作电压Vp；若保存的是逻辑0，则输出端保持高电压状态，若保存的是逻辑1，则输出端的电压下降。

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