FPGA ——DDR基础概念详解_fpga ddr

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DDR基础知识

DDR存储机制

 DDR3详解

DDR3型号

DDR3引脚

DDR操作

DDR读操作

DDR写操作

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DDR基础知识

       DDR=Double Data Rate双倍速率,DDR SDRAM=双倍速率同步动态随机存储器，人们习惯称为DDR，其中，SDRAM 是Synchronous Dynamic Random Access Memory的缩写，即同步动态随机存取存储器。而DDR SDRAM是Double Data Rate SDRAM的缩写，是双倍速率同步动态随机存储器的意思。

         SDR SDRAM采用单端（Single-Ended）时钟信号, 在一个时钟周期内只传输一次数据；而 DDR由于工作频率比较快，采用可降低干扰的差分时钟信号作为同步时钟。在一个时钟周期内可以传输两次数据，它能够在的DQS上升沿和和下降沿各传输一次数据。

相对比于DDR，DDR2的时钟加速，是DDR的两倍，DDR3的时钟是DDR的四倍

DDR存储机制

DDR3的内部是一个存储阵列，将数据“填”进去，你可以它想象成一张表格。和表格的检索原理一样，先指定一个行（Row），再指定一个列（Column），我们就可以准确地找到所需要的单元格，这就是内存芯片寻址的基本原理。对于内存，这个单元格可称为存储单元,那么这个表格（存储阵列）就是逻辑Bank（Logical Bank，下面简称Bank）。

 DDR内部Bank示意图，这是一个NXN的阵列，B代表Bank地址编号，C代表列地址编号，R代表行地址编号。如果寻址命令是B1、R2、C6，就能确定地址是图中红格的位置。

目前DDR3内存芯片基本上都是8个Bank设计，也就是说一共有8个这样的“表格”。

寻址的流程也就是先指定Bank地址，再指定行地址，然后指列地址最终的确寻址单元。

1.    控制器单元：包括输入命令解析，模式配置&控制部分；

2.    行地址选通单元：行激活通过此处操作；

3.    Bank控制逻辑：行/列地址解码用到bank选通

4.    列地址选择单元，读写操作同时在打开列地址的时候送到1；

5.    内部存储阵列，此处分8个bank，以4g8bit的颗粒为例；每个bank分65536行，128列，每个cell存储8*bl的数据宽度；

6.    读写数据缓存及接口驱动；dq数据在此变换位宽后内外交互；

7.    锁存与控制逻辑：刷新与预充电用到该模块。

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 DDR3详解

DDR3型号

DDR3有上图的三种型号 

MT为公司，41J为型号，xxM为容量单位是bit，之后的数字为数据位宽即数据的管脚个数

如256M8，是256M bit 的容量，8位位宽（对外数据管脚为8） 

DDR3引脚

DDR3控制命令表：

 

 DDR3 mode寄存器设置图：

 由于SDRAM的寻址具体独占性，所以在进行完读写操作后，如果要对同一L-Bank的另一行进行寻址，就要将原来有效（工作）的行关闭，重新发送行/列地址。L-Bank关闭现有工作行，准备打开新行的操作就是预充电（Precharge）。预充电可以通过命令控制，也可以通过辅助设定让芯片在每次读写操作之后自动进行预充电。实际上，预充电是一种对工作行中所有存储体进行数据重写，并对行地址进行复位，之所以称为DRAM，就是因为它要不断进行刷新（Refresh）才能保留住数据，因此它是DRAM最重要的操作。

刷新操作与预充电中重写的操作一样。但为什么有预充电操作还要进行刷新呢？因为预充电是对一个或所有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。

在实际工作中，Bank地址与相应的行地址是同时发出的，此时这个命令称之为“行激活”（Row Active）。在此之后，将发送列地址寻址命令与具体的操作命令（是读还是写），这两个命令也是同时发出的，所以一般都会以“读/写命令”来表示列寻址。根据相关的标准，从行有效到读/写命令发出之间的间隔被定义为tRCD，即RAS to CAS Delay（RAS至CAS延迟，RAS就是行地址选通脉冲，CAS就是列地址选通脉冲），我们可以理解为行选通周期。tRCD是DDR的一个重要时序参数，广义的tRCD以时钟周期（tCK，Clock Time）数为单位，比如tRCD=3，就代表延迟周期为两个时钟周期，具体到确切的时间，则要根据时钟频率而定，DDR3-800，tRCD=3，代表30ns的延迟。

 

 接下来，相关的列地址被选中之后，将会触发数据传输，但从存储单元中输出到真正出现在内存芯片的 I/O 接口之间还需要一定的时间（数据触发本身就有延迟，而且还需要进行信号放大），这段时间就是非常著名的 CL（CAS Latency，列地址脉冲选通潜伏期）。CL 的数值与 tRCD 一样，以时钟周期数表示。如 DDR3-800，时钟频率为 100MHz，时钟周期为 10ns，如果 CL=2 就意味着 20ns 的潜伏期。不过CL只是针对读取操作。

 

  由于芯片体积的原因，存储单元中的电容容量很小，所以信号要经过放大来保证其有效的识别性，这个放大/驱动工作由S-AMP负责，一个存储体对应一个S- AMP通道。但它要有一个准备时间才能保证信号的发送强度（事前还要进行电压比较以进行逻辑电平的判断），因此从数据I/O总线上有数据输出之前的一个时钟上升沿开始，数据即已传向S-AMP，也就是说此时数据已经被触发，经过一定的驱动时间最终传向数据I/O总线进行输出，这段时间我们称之为 tAC（Access Time from CLK，时钟触发后的访问时间）。

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，连续传输的周期数就是突发长度（Burst Lengths，简称BL）。

 

 在进行突发传输时，只要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。这样，除了第一笔数据的传输需要若干个周期（主要是之前的延迟，一般的是tRCD+CL）外，其后每个数据只需一个周期的即可获得。

突发连续读取模式：只要指定起始列地址与突发长度，后续的寻址与数据的读取自动进行，而只要控制好两段突发读取命令的间隔周期（与BL相同）即可做到连续的突发传输。

谈到了突发长度时。如果BL=4，那么也就是说一次就传送4×64bit的数据。但是，如果其中的第二笔数据是不需要的，怎么办？还都传输吗？为了屏蔽不需要的数据，人们采用了数据掩码（Data I/O Mask，简称DQM）技术。通过DQM，内存可以控制I/O端口取消哪些输出或输入的数据。这里需要强调的是，在读取时，被屏蔽的数据仍然会从存储体传出，只是在“掩码逻辑单元”处被屏蔽。DQM由北桥控制，为了精确屏蔽一个P-Bank位宽中的每个字节，每个DIMM有8个DQM 信号线，每个信号针对一个字节。这样，对于4bit位宽芯片，两个芯片共用一个DQM信号线，对于8bit位宽芯片，一个芯片占用一个DQM信号，而对于 16bit位宽芯片，则需要两个DQM引脚。

在数据读取完之后，为了腾出读出放大器以供同一Bank内其他行的寻址并传输数据，内存芯片将进行预充电的操作来关闭当前工作行。从开始关闭现有的工作行，到可以打开新的工作行之间的间隔就是tRP（Row Precharge command Period，行预充电有效周期），单位也是时钟周期数。

1. 差分时钟

差分时钟是DDR的一个必要设计，但CK#的作用，并不能理解为第二个触发时钟（你可以在讲述DDR原理时简单地这么比喻），而是起到触发时钟校准的作用。

 由于数据是在CK的上下沿触发，造成传输周期缩短了一半，因此必须要保证传输周期的稳定以确保数据的正确传输，这就要求CK的上下沿间距要有精确的控制。但因为温度、电阻性能的改变等原因，CK上下沿间距可能发生变化，此时与其反相的CK#就起到纠正的作用（CK上升快下降慢，CK# 则是上升慢下降快）。而由于上下沿触发的原因，也使CL=1.5和2.5成为可能，并容易实现。与CK反相的CK#保证了触发时机的准确性。

2、数据选取脉冲（DQS）

DQS 是DDR中的重要功能，它的功能主要用来在一个时钟周期内准确的区分出每个传输周期，并便于接收方准确接收数据。每一颗芯片都有一个DQS信号线，它是双向的，在写入时它用来传送由北桥发来的DQS信号，读取时，则由芯片生成DQS向北桥发送。完全可以说，它就是数据的同步信号。

在读取时，DQS与数据信号同时生成（也是在CK与CK#的交叉点）。而DDR内存中的CL也就是从CAS发出到DQS生成的间隔，DQS生成时，芯片内部的预取已经完毕了，由于预取的原因，实际的数据传出可能会提前于DQS发生（数据提前于DQS传出）。由于是并行传输，DDR内存对tAC也有一定的要求，对于DDR266，tAC的允许范围是±0.75ns，对于DDR333，则是±0.7ns，有关它们的时序图示见前文，其中CL里包含了一段DQS 的导入期。

 

 在写入时，以DQS的高/低电平期中部为数据周期分割点，而不是上/下沿，但数据的接收触发仍为DQS的上/下沿

DDR操作

•      启动：上电->解复位->初始化->ZQCL-> LEVELING->IDLE(ready)

•      读：IDLE->行激活->读数据(1次或多次突发)->预充电->IDLE

•      写：IDLE->行激活->写数据(1次或多次突发)->预充电->IDLE

•      刷新：IDLE->REF->IDLE

•      自刷新的进入与退出：IDLE->SFR->IDLE

•      定期校正：IDLE->ZQCS->IDLE，一般外部温度或电压改变时操作

•      动态更改配置：IDLE->MRS/MPR->IDLE

DDR读操作

  •      ddr发起一次读的过程包含一系列命令有：

1.    操作开始于Active命令——Active命令同时并发含带地址位，以选择Bank和Row地址（BA0-BA2选择BANK、A0-A15选择Row）。用于打开一个工作行。

2.    随后是一个Read命令——Read命令并发含带突发操作的起始Column地址和bank号，打开对应gating的列；

3.    数据经过特定的延时（CL+AL，后面详细介绍）；将数据传出IO；

4.    完成数据传出后，需将当前cache的数据刷回存储整列并关闭当前工作行（携带命令和BA信息）；【是否发布自动预充电命令（通过A10）】

DDR写操作

 •      ddr发起一次写操作与读类似，除写数据，其他步骤参照读。

1.    和读操作一样。

2.    随后是一个write命令——Read命令并发含带突发操作的起始Column地址和bank号，打开对应gating的列；

3.    经过特定的延时（CWL+AL，后面详细介绍）；数据从IO写入io gating；这之间又有一个延时tWR。

4.    完成数据写入后，预充电的操作和读一样。