SDRAM接口学习.ppt

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1、SDRAM接口讲解,SDRAM:Synchronous Dynamic Random Access Memory 同步动态随机存储器，同步是指 Memory工作需要同步时钟，内部的命令的发送与数据的传输都以它为基准；动态是指存储阵列需要不断的刷新来保证数据不丢失；随机是指数据不是线性依次存储，而是自由指定地址进行数据读写 DDR SDRAM：Double Data Rate SDRAM，是双倍速率同步动态随机存储器,目录,part1-SDRAM内存模组结构part2-SDRAM芯片内部结构Part3-SDRAM芯片外部结构part4-SDRAM内部操作与工作时序part5-SDRAM性能优化p

2、art6-备注Part7-参考资料,Part 1 SDRAM内存模组结构,P-Bank（Physical Bank）内存总线等同于CPU数据总线的位宽。单位为Bit，简称P-Bank。注意：P-Bank是SDRAM及以前传统内存特有的概念芯片位宽：在SDRAM中，单个芯片的位宽即每个传输周期能提供的数据量（仅对SDRAM有效）=一个存储单元位宽 单个芯片的位宽一般都较小，所以为了组成P-Bank所需的位宽，就需要多颗芯片并联工作。DIMM：Double In-line Memory Module,双列内存模组。模组电路板与主板插槽的接口有两列引脚。DIMM是SDRAM集合形式的最终体现，每个D

3、IMM至少包含一个P-Bank的芯片集合,Part 2 SDRAM芯片内部结构,逻辑Bank（Logical Bank）：SDRAM芯片内部存储阵列由于技术、成本、内存工作效率(具体见part5-SDRAM性能优化）三方面原因，一个芯片内部有多个L-ABNK，目前基本为四个(SDRAM规范中的最高L-Bank数量）芯片位宽（SDRAM内存芯片传输一次的数据量）：L-Bank存储阵列中一个存储单元的容量芯片容量=行数列数（得到一个L-Bank的存储单元数量）L-Bank的数量位宽（单位 bit）模组容量：相同位宽下，不同芯片的组合会有不同的容量,Part 2 SDRAM芯片内部结构,Part3-

4、SDRAM芯片外部结构,Part3-SDRAM芯片外部结构,Part3-SDRAM芯片外部结构,内存寻址步骤以及相关引脚：P-BANK(CS)-L-BANK（BA)-行（RAS、An、WE#)-列（CAS、An、WE#）,part4-SDRAM内部操作与工作时序,part4-SDRAM内部操作与工作时序,芯片工作顺序：初始化-行有效-列读写内存初始化：模式寄存器设置（MRS，Mode Register Set）内存控制器（北桥芯片）在BIOS的控制下进行，寄存器的信息由地址线来提供。,part4-SDRAM内部操作与工作时序,行有效：CS/BAn/RAS信号同时发出,part4-SDRAM内部

5、操作与工作时序,列读写：CAS与WE#同时发出。在SDRAM中，行地址与列地址是共用的（地址复用），以CAS区分行列寻址（注：列寻址时，A10用作预充电命令）,part4-SDRAM内部操作与工作时序,读写命令表(除自刷新Self Refresh)命令外，所有命令都是默认CKE有效）,part4-SDRAM内部操作与工作时序,行选通：在发送列读写命令时，与行有效命令有一个间隔，这个间隔定义为tRCD（RAS to CAS Delay,RAS至CAS延迟）。这是根据芯片存储阵列电子元件响应时间（从一种状态到另一种状态变化的过程）制定。广义的tRCD以时钟周期（tCK，Clock Time）数为单

6、位,part4-SDRAM内部操作与工作时序,读操作:列地址确定后，存储单元确定CL:CAS Latency，CAS 潜伏期。从 CAS 与读取命令发出到第一笔数据输出时间间隔 CL 只在读取时出现，所以 CL 又被称为读取潜伏期（RL，Read Latency）。单位为时钟周期数,part4-SDRAM内部操作与工作时序,T0-T1(根据芯片不同，=一个TCK)：假设芯片位宽为 n 个bit，列数为c，那么一个列地址需选通 n 个存储体。但存储体中晶体管反应时间造成数据延后触发。这个时间结束时，数据被触发，传向S-AMPT1-T2(=一个TCK):存储单元中电容容量很小，S-AMP(sens

7、e amplifier)要对其电压比较以进行逻辑电平的判断，然后在做放大/驱动tAC：Access Time from CLK，时钟触发后的访问时间（即T1-T2）S-AMP:在读取时保持数据逻辑状态，Cache的作用，再次读取时由它直接发送，不进行新的寻址输出数据重写：逻辑状态为 1的电容在读取操作后，会因放电而变为逻辑 0，所以要预充电阶段做数据重写,part4-SDRAM内部操作与工作时序,写操作：写操作也在 tRCD 之后进行，但没有 CL（数据信号由控制端发出，输入时芯片无需做任何调校，只需直接传到数据输入寄存器中，然后由写入驱动器进行对存储电容的充电操作，因此数据可以与 CAS 同

8、时发送,part4-SDRAM内部操作与工作时序,tWR：Write Recovery Time。=一个TCK 数据不能即时地写入存储电容，因为选通三极管（如同读操作）与电容的充电必须要有一段时间,part4-SDRAM内部操作与工作时序,突发传输：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，传输时只需指定起始列地址与突发长度，内存就会依次地自动对后面相应数量的存储单元进行读/写操作而不再需要控制器连续地提供列地址（不能减少数据输出时间，但是可以节约内存控制资源）突发长度（Burst Lengths，简称 BL）：连续传输所涉及到存储单元（列）的数量。BL值可以使是 1、2、4、8、全

9、页（Full Page）Full Page：P-BANK所包含的每个芯片内同一L-BANK中同一行的所有存储单元,part4-SDRAM内部操作与工作时序,非突发连续读取模式：,part4-SDRAM内部操作与工作时序,突发连续读取：,part4-SDRAM内部操作与工作时序,预充电（Precharge）：L-Bank关闭现有的工作行，准备打开新行的操作就是预充电。SDRAM寻址具有独占性，一个L-BANK中只能有一行打开（S-AMP 只能为一行服务）预充电的实质是：对工作行中的所有存储体进行数据重写(，即使是没有工作过的存储体也会因行选通而使存储电容受到干扰，所以也需 要 S-AMP 进行读

10、后重写)，并对地址进行复位，同时释放读出放大器（Sense Amplifier,S-AMP），以准备新的工作行,part4-SDRAM内部操作与工作时序,tRAS（Active to Precharge Command，行有效至预充电命令间隔周期）：至少要在行有效命令 5 个时钟周期之后发出，最长间隔视芯片而异（基本在 120000ns左右），否则工作行的数据将有丢失的危险tRP（Precharge command Period，预充电有效周期）预充电控制：命令控制/辅助设定 命令控制：A10决定读写之后是否自动预充电 辅助设定：A10决定着是对指定的 L-Bank 还是所有的 L-Bank（

11、当有多个 L-Bank 处于有效/活动状态时）进行预充电，前者需要提供 L-Bank 的地址，后者只需将 A10 信号置于高电平,part4-SDRAM内部操作与工作时序,1、行同步,控制好预充电启动时间很重要，它可以在读取操作结束后立刻进入新行的寻址，保证运行效率。,part4-SDRAM内部操作与工作时序,预充电不能与写操作同时进行，必须要在 tWR 之后发出预充电命令，以确保数据的可靠写入，否则重写的数据可能是错的，这就造成了写回延迟,Part 4 SDRAM内部操作与工作时序,刷新：自动刷新（Auto Refresh，简称 AR）与自刷新（Self Refresh，简称SR）。不论是何

12、种刷新方式，都不需要外部提供行地址信息，因为这是一个内部的自动操刷新必要性：刷新操作与预充电中重写的操作一样，都是用 S-AMP先读再写。但预充电是对个或所有 L-Bank 中的工作行操作，并且是不定期的，而刷新则是有固定的周期，依次对所有行进行操作，以保留那些久久没经历重写的存储体中的数据。但与所有 L-Bank 预充电不同的是，这里的行是指所有 L-Bank 中地址相同的行，而预充电中各 L-Bank 中的工作行地址并不是一定是相同的,Part 4 SDRAM内部操作与工作时序,刷新周期：存储体中电容的数据有效保存期上限是 64ms（毫秒，1/1000 秒），也就是说每一行刷新的循环周期是

13、 64ms。这样刷新速度就是：行数量/64ms AR：SDRAM 内部有一个行地址生成器（也称刷新计数器）用来自动的依次生成行地址。因为是针对一行中的所有存储体进行，所以无需列寻址）由于刷新涉及到所有 L-Bank，因此在刷新过程中，所有 L-Bank 都停止工作，每次刷新所占用的时间为 9 个时钟周期（PC133 标准），之后就可进入正常的工作状态，64ms 之后则再次对同一行进行刷新,SR:主要用于休眠模式低功耗状态下的数据保存，在发出 AR命令时，将 CKE 置于无效状态，就进入了 SR 模式，此 时不再依靠系统时钟工作，而是根据内部的时钟进行刷新 操作。在 SR期间除了 CKE 之外的

14、所有外部信号都是无效的（无需外部提供刷新指令），重新使 CKE有效才能退出自刷新,Part 4 SDRAM内部操作与工作时序,Part 4 SDRAM内部操作与工作时序,DM:为了屏蔽不需要的数据，我们采用了数据掩码（Data I/O Mask,DQM）技术。通过DQM，内存可以控制I/O端口取消哪些输入或输出的数据。SDRAM官方规定，在读取时DQM发出两个时钟周期后生效；而在写入时，DQM立即生效 DQM由北桥控制，每个信号针对一个字节,Part 4 SDRAM内部操作与工作时序,Part 4 SDRAM内部操作与工作时序,突发中断：BL越长，对于连续的大数据量传输很有好处，但是对零散的数

15、据，BL太长会造成总线周期的浪费，所以需要突发中断,part5-SDRAM性能优化,影响性能的主要时序参数：tRCD、CL和tRP读操作情况分析 PH（Page Hit):T=tRCD+CL 要寻址的行与L-Bank空闲 PFH(Page Fast Hit)/PDH(Page Direct Hit):T=CL 要寻址的行正好是前一个操 作的工作 PM(Page Miss):T=tRP+tRCD+CL 要寻址的行所在的L-Bank中已经有一个行处于活动状态（未关闭,part5-SDRAM性能优化,PHR增加：自动预充电/L-Bank交错预充电 自动预充电：见上文 L-Bank交错预充电：在一个L

16、-Bank工作时，对下一个要工作的L-Bank进行预充电。这样，预充电与数据的传输交错执行，当访问下一个L-Bank时，tRP已过，就可以直接进入行有效状态,part5-SDRAM性能优化,part5-SDRAM性能优化,PFHR增加：增加选通页数/读写顺序 增加选通页数 在tRAS（5TCK-120000ns)Q期间，只要北桥芯片不发出预充电（包括允许自动预充电）的命令，行打开的状态就会一直保持。在此期间的对该行的任何读写操作也就不会有tRCD的延迟。因此北桥芯片在能同时打开的行（页）越多，那么PFHR也就越大。可同时打开的最大页数：P-BANK数*（单芯片）L-BANK数 注：1、这里的同时打开不是指对多行同时寻址，而是指多行同时处于选通状态。同一L-Bank中不可能有两个打开的行（S-AMP只能为一行服务 3、L-BANK数与内存结构有关。L-Bank数量会带来新问题,part5-SDRAM性能优化,读写顺序,part6-备注,Part7 参考资料,how_to_use_sdram.pdf内存的原理和时序(SDRAM、DDR、DDR-、Rambus_DRAM)-上.pdf,THANK YOU!,