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1、内存知识概述,内存的演化,SDRAM,DDR1,DDR2,DDR3,SDRAM（Synchronous DRAM）的中文名字是“同步动态随机存储器”，它是PC100和PC133规范所广泛使用的内存类型，其接口为168线的DIMM类型(这种类型接口内存插板的两边都有数据接口触片)。,SDRAM（Synchronous DRAM）,SDRAM的信号电平为LVTTL,工作电压3.3V,属于单端信号。 对于同步存储器件，有三个与工作速率相关的重要指标：内核工作频率、时钟频率、数据传输速率。对于SDRAM而言，它的这三个速率是一样的。SDRAM最高速率可达200MHz，设计中常用 的速率有100MHz、
2、133MHz、167MHz。 SDRAM存储空间被分为若干逻辑块(BANK)，取址时，首先需要提供BANK地址以找到待操作的逻辑块，然后需要提供行地址和列地址以在该BANK内定位存储单元。因此，在器件资料上，SDRAM存储容量的定义方式是:地址数位宽BANK数。 由于行地址和列地址选择处于SDRAM操作的不同阶段，因此，行地址和列地址信号线可被相互利用。,SDRAM（Synchronous DRAM）,SDRAM（Synchronous DRAM）,由上面各信号线的条数可计算出,BANK数为21=2,位宽=16，地址数为21128=219=512K,与数据手册所给出的相一致。,SDRAM（Sy
3、nchronous DRAM）,SDRAM（Synchronous DRAM）,SDRAM的基本操作方式有以下几种：空操作NOP、激活操作ACT、读操作WRITE、预充电操作PRECHARGE、自刷新操作SELF REFRESH、配置寄存器操作LOAD MODE REG等。各操作方式是通过CS#、RAS#、CAS#和WE#这几根信号线的各种组合状态组合而选择的。,SDRAM（Synchronous DRAM）,SDRAM（Synchronous DRAM）,对SDRAM存储单元的取址需提 供三个参数：BANK地址、行地址和列地址。ACT操作时，存储器控制器发出其中两个址:BANK 地址和行地址
4、，以便激活待操作 的“行”。第三个参数，即列地址， 将在READ或者WRITE操作中指 定。此时，片选信号CS#和行选 通信号RAS#需有效，列选通信号 CAS#和写使能信号WE#无效。 在时钟的上升沿采样到行地址和 BANK地址。,SDRAM（Synchronous DRAM）,存储器控制器利用READ操作发出读指令，同时发出两个地址:BANK地址和列地址。 READ操作的目的有两个，其一是发出读命令，其二是在地址总线上发出列地址。 此时，片选信号CS#和列选 通信号CAS#需有效，行选通信号RAS#和写使能信号无效WE#。 在时钟的上升沿采样到列地址和BANK地址。,SDRAM（Synch
5、ronous DRAM）,1. RAS to CAS delay,即RAS#信号有效后到CAS#信号有效，这之间的延时。在ACT指令选定待操作的行后，需要延时 ，才能切换到对列的选择。,SDRAM（Synchronous DRAM）,2.CL CAS Latency,即CAS潜伏期参数。READ指令发出后，存储器根据采样得到的行地址和列地址，将对应存储单元的数据放大，以便传输到数据总线上，这个过程所消耗的延时称为CL。因此，从READ指令发出到数据总线上出现第一个数据，这之间的延时定义为CL。,SDRAM（Synchronous DRAM）,WRITE操作与READ操作类似，不同点在于WRIT
6、E时，需要有效WE#信号,SDRAM（Synchronous DRAM）,1. Write Recovery Time,写回时间，是指SDRAM将数据总线上待写入的数据导入内部存储单元所需要的时间。,SDRAM（Synchronous DRAM）,目前内存的读写基本都是连续的，因为与CPU交换的数据量以一个Cache Line（即CPU内Cache的存储单位）的容量为准，一般为64字节。而现有的P-Bank位宽为8字节，那么就要一次连续传输8次，这就涉及到突发操作。突发（Burst）是指在同一行中相邻的存储单元连续进行数据传输的方式。采用BURST操作，可简化读写命令，即一次读写命令可传输同一
7、行中若干连续的存储单元，一次传输字节的数量称为突发长度(Burst Length)。 下图是突发长度为4的BURST操作示例。在发出读命令的同时，地址总线上提供第一个存储单元的列地址n,此后SDRAM连续地在数据总线上发出同一行，列地址为n、n+1，n+2，n+3这个相连存储单元的数据。,SDRAM（Synchronous DRAM）,SDRAM（Synchronous DRAM）,单纯就BURST操作来看，相对于非BURST操作，BURST操作本身并不能提高传输性能，但BURST操作有利于简化SDRAM的读写命令，有利于系统整体性能的提升。这是因为CPU只需发一个命令便可以读BL个字节，其余
8、时间CPU可以用来做其它工作。 SDRAM的读命令都是采用BURST操作，而写命令可被配置为BURST或非BURST操作。若被配置为BURST操作，还需要设置突发长度，可选的长度有1、2、4、8，突发长度设置为1时，其等效于非BURST操作。,SDRAM（Synchronous DRAM）,对SDRAM内部某一行的操作完成后，如需继续对另一行进行操作，应先关闭当前的工作行，该操作称为PRECHAREG（预充电）操作。SDRAM存储单元依靠电容充放电实现存储单元逻辑状态的记录，因此在完成一次操作后，需对已操作完成的行进行回写。PRECHARGE操作时，CLK信号上升沿采样到关键信号逻辑状态分别为
9、： CS#低电平有效、RAS#低电平有效、WE#低电平有效。 在PRECHARGE操作中，引脚A10用于选择是一个Bank还是所有Bank同时被预充电。当A10为高电平时，所有的Bank同时预充电，否则由BA指定充电的Bank地址。,SDRAM（Synchronous DRAM）,SDRAM（Synchronous DRAM）,1. 指PRECHARGE指令到下一次ACT指令的延时,SDRAM（Synchronous DRAM）,PRECHARGE操作，要求存储器控制器主动发出PRECHARGE命令，占用了宝贵的控制器资源。而AUTO PRECHARGE操作则无需外部控制器的指令即可自动地实现
10、PRECHAREGE功能。 AUTO PRECHARGE操作通过读或写命令发出时A10的状态来决定。,SDRAM（Synchronous DRAM）,SDRAM其余的操作还包括： AUTO REFRESH自动刷新操作 SELF REFRESH自刷新操作 上电初始化 模式寄存器的配置 需要注意的是： 模式寄存器的配置是通过地址总线配置的，而不是数据总线发出的。正是这个原因，在SDRAM及DDR的设计中，地址总线的线充是不能任意交换的。而SRAM不涉及模式寄存器的配置，因此其地址总线线充是可以任意交换的。,DDR指双倍速率(Double Data Rate)，DDR SDRAM与SDRAM的基本结
11、构是相似的，最根本的区别在于DDR SDRAM支持在一个时钟周期内传输两次数据，这是通过接口结构的改进而实现的。,DDR SDRAM Double Data Rate SDRAM,1、数据预取方式 DDR SDRAM采用2倍预取结构，即芯片内部能以两倍于时钟运行的速率预取数据，从而使得芯片内核工作速率仅为外部数据传输率的一半。SDRAM采用1倍预取结构，即芯片内核工作速率与外部数据传输速率相同。 内核工作速率越高，芯片工艺越复杂，基于这种工艺的限制，不可能快速地提高芯片内核工作速率。在相同的内核工作速率下，DDR SDRAM的外部数据传输速率为SDRAM的两倍，从而提高了存储器的传输效率。,D
12、DR SDRAM Double Data Rate SDRAM,2、信号电平 为提高信号完整性，DDR SDRAM采用SSTL_2(Stub Series Terminated Logic for 2.5V)电平，SST_2是由JEDEC制定的专用于存储器接口的电平。 从芯片引脚上看，DDR SDRAM的信号大多是单端信号，但本质上都属于差分对。SSTL电平的实现机制在于，将普通信号与参考电平Vref组合成差分对。高电平逻辑和低电平逻辑相对参考电平对称分布，有利于噪声裕量的提高和电压摆幅的减小。同时，差分对的结构也有利于信号温度稳定性的提高。,DDR SDRAM Double Data Rat
13、e SDRAM,SSTL_2电平的输入门限定义如下图所示,DDR SDRAM Double Data Rate SDRAM,其中,VIH和VIL分别为输入逻辑高电平和低电平门限值，它们各有一个交流参数AC和一个直流参数DC。信号沿第一次通过AC门限的时刻，是计算建立时间和保持时间的参考点。此后，只要信号不跨跃DC门限，则逻辑状态将得到保持。,SSTL_2电平的输入门限电平的定义,DDR SDRAM Double Data Rate SDRAM,DDR SDRAM的时钟信号CK/CK#为SSTL-2电平的差分对，以其边沿交叉点作为时序参考点，而不像SDRAM那样采用CLK信号的中间电平1.5V作
14、为时序参考点，这有利于减小时钟信号抖动对时序的影响。,DDR SDRAM Double Data Rate SDRAM,SSTL_2的匹配方式,DDR SDRAM Double Data Rate SDRAM,Rs为始端匹配电阻，RT为终端匹配电阻，上拉到VTT电平。匹配电阻取值需要满足以下两个要求： 1.线路上的阻抗匹配 2.线路上的电流要求 VTT需由外部电源提供，其取值为VREF-0.04VVREF+0.04V,3、数据信号采样参考源 与SDRAM不同，DDR SDRAM不再依靠时钟信号CK/CK#实现对数据信号DQ的采样，而是采用了与DQ同步的信号DQS (数据选通信号，Data st
15、robe)作为采样参考源。DQS是双向信号，传输方向与DQ相同。 因为DQS的使用，DDR SDRAM由SDRAM的共同时钟系统，进化成了源同步时钟系统。共同时钟系统指接收端和发送端的时钟由同一个时钟源产生。源同步指数据和时钟由同一个器件发出。可从时序推导出，对于共同时钟系统，它的布线长度是受频率限制的，很难应用于超过200M的频率之上。而源同步则不受这个限制。从DDR1、2、3的数据信号采样均为源同步系统。,DDR SDRAM Double Data Rate SDRAM,综上所述，看起来数据信号DQ与时钟信号CK/CK#并没有任何时序上的关系，那么如何保证数据信号与地址、控制信号的协同工作
16、?这可通过存储器内部的DLL(延迟锁相环）实现。 利用DLL，可将DQS和CK的边沿对齐，从而实现数据信号和地址、控制信号的协同工作。,DDR SDRAM Double Data Rate SDRAM,DDR SDRAM的操作方式与SDRAM基本相同，此处仅介绍读和写操作。,DDR SDRAM Double Data Rate SDRAM,读操作,DDR SDRAM Double Data Rate SDRAM,写操作,DDR SDRAM Double Data Rate SDRAM,DDR SDRAM涉及四种电源： VDD:DDR SDRAM内核工作电源，为2.5V VDDQ:DDR SDR
17、AM数据数据总线I/O接口电源，为2.5V VREF:SSTL_2参考电源 VTT:SSTL_2终结电源 1）上电顺序：VDD和VDDQ同时上电，随后VREF上电，VTT最后上电 2）电平关系,DDR SDRAM Double Data Rate SDRAM,3)功耗 在四种电源，对VDD、VDDQ的功耗，需要根据厂家提供的 器件数据手册计算得出，一般每片DDR SDRAM，功耗不会 超过1W。 VREF，其只是提供参考电平，耗电量不会超过5mA，但 VERF必须和VDDQ保持稳定的关系，且对纹波的要求比较高 要求VREF的纹波不能超过50mV。 对于VTT，除了CK/CK#信号外，DDR S
18、DRAM的其它信号都 将终结于VTT。由于数据信号为双向信号，VTT需支持吸收电 流和驱动电流这两个方向的电流。 某些设计中，信号无需VTT,这些设计应满足以下要求：连接同 一存储器控制器不多于两片，直线长度短于2英寸。,DDR2 SDRAM Double Data Rate 2 SDRAM,DDR2(Double Data Rate 2,两倍数据速率，版本2)SDRAM， 是由JEDEC国际标准组织开发的，基于DDR SDRAM升级的 存储技术。与DDR1相比，虽然其保持了一个时钟周期完成两 次数据传输的和，但DDR2在数据传输率，延时，等方面都有 了显著提高。而这些性能的提高，主要来源于以
19、下技术的提升： 4n数据预取、ODT、Post CAS、封装等。,DDR2 SDRAM Double Data Rate 2 SDRAM,DDR3 SDRAM Double Data Rate 3 SDRAM,1. ODT ODT是On-Die Termination的缩写，其意思为内部核心终结。从DDR2内存开始内部集成了终结电阻器，主板上的终结电路被移植到了内存芯片中。在内存芯片工作时系统会把终结电阻器屏蔽，而对于暂时不工作的内存芯片则打开终结电阻器以减少信号的反射。由此DDR2内存控制器可以通过ODT同时管理所有内存引脚的信号终结。并且阻抗值也可以有多种选择。如0、50、75、150等等
20、。并且内存控制器可以根据系统内干扰信号的强度自动调整阻值的大小。,DDR3 SDRAM Double Data Rate 3 SDRAM,2007年6月26日，JEDEC完成了DDR3 SDRAM内存标准的制定。 DDR3核心设计在于8-bit预取，提升带宽的关键技术。,DDR3 SDRAM Double Data Rate 3 SDRAM,DDR3 SDRAM Double Data Rate 3 SDRAM,1.重置（Reset） 重置是DDR3新增的一项重要功能，并为此专门准备了一个引脚。DRAM业界已经很早以前就要求增这一功能，如今终于在DDR3身上实现。这一引脚将使DDR3的初始化处
21、理变得简单。当Reset命令有效时，DDR3内存将停止所有的操作，并切换至最少量活动的状态，以节约电力。在Reset期间，DDR3内存将关闭内在的大部分功能，所以有数据接收与发送器都将关闭。所有内部的程序装置将复位，DLL（延迟锁相环路）与时钟电路将停止工作，而且不理睬数据总线上的任何动静。这样一来，将使DDR3达到最节省电力的目的。,DDR3 SDRAM Double Data Rate 3 SDRAM,2. ZQ校准 ZQ也是一个新增的脚，在这个引脚上接有一个240欧姆的低公差参考电阻。这个引脚通过一个命令集，通过片上校准引擎（ODCE，On-Die Calibration Engine）来自动校验数据输出驱动器导通电阻与ODT的终结电阻值。当系统发出这一指令之后，将用相应的时钟周期（在加电与初始化之后用512个时钟周期，在退出自刷新操作后用256时钟周期、在其他情况下用64个时钟周期）对导通电阻和ODT电阻进行重新校准。,DDR3 SDRAM Double Data Rate 3 SDRAM,3.参考电压 参考电压分成两个 对于内存系统工作非常重要的参考电压信号VREF，在DDR3系统中将分为两个信号。一个是为命令与地址信号服务的VREFCA，另一个是为数据总线服务的VREFDQ，它将有效的提高系统数据总线的信噪等级。,谢谢,