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分类: 嵌入式

2014-09-14 00:42:40

首先,我们先了解一下内存的大体结构工作流程,这样会比较容量理解这些参数在其中所起到的作用。这部分的讲述运用DDR3的简化时序图

   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,下简称Bank)。 

DDR3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。


目 前DDR3系统而言,还存在物理Bank的概念,这是对内存子系统的一个相关术语,并不针对内存芯片。内存为了保证CPU正常工作,必须一次传输完CPU 在一个传输周期内所需要的数据。而CPU在一个传输周期能接受的数据容量就是CPU数据总线的位宽,单位是bit(位)。控制内存与CPU之间数据交换的 北桥芯片也因此将内存总线的数据位宽等同于CPU数据总线的位宽,这个位宽就称为物理Bank(Physical Bank,有的资料称之为Rank)的 位宽。目前这个位宽基本为64bit。

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。

                     图中显示的是tRCD=3


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)。

                      图中标准CL=2,tAC=1


  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Rank位宽为8字节(64bit),那么就要一次连续传输8次,这就涉及到我们也经常能遇到的突发传输的概念。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。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。还是以上面那个Bank示 意图为例。当前寻址的存储单元是B1、R2、C6。如果接下来的寻址命令是B1、R2、C4,则不用预充电,因为读出放大器正在为这一行服务。但如果地址 命令是B1、R4、C4,由于是同一Bank的不同行,那么就必须要先把R2关闭,才能对R4寻址。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。


在不同Bank间读写也是这样,先把原来数据写回,再激活新的Bank/Row。

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。

DQS 在读取时与数据同步传输,那么接收时也是以DQS的上下沿为准吗?不,如果以DQS的上下沿区分数据周期的危险很大。由于芯片有预取的操作,所以输出时的 同步很难控制,只能限制在一定的时间范围内,数据在各I/O端口的出现时间可能有快有慢,会与DQS有一定的间隔,这也就是为什么要有一个tAC规定的原 因。而在接收方,一切必须保证同步接收,不能有tAC之类的偏差。这样在写入时,芯片不再自己生成DQS,而以发送方传来的DQS为基准,并相应延后一定 的时间,在DQS的中部为数据周期的选取分割点(在读取时分割点就是上下沿),从这里分隔开两个传输周期。这样做的好处是,由于各数据信号都会有一个逻辑 电平保持周期,即使发送时不同步,在DQS上下沿时都处于保持周期中,此时数据接收触发的准确性无疑是最高的。

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




3.容量的计算


上图为X8data的单颗DDR3架构图,行(Row)地址线复用14根,列(Column)地址线复用10根,Bank数量为8个,IO Buffer 通过8组数位线(DQ0-DQ7)来完成对外的通信,故此单颗DDR3芯片的容量为2的14次方乘2的10次方乘8乘8,结果为1Gbit,因为1B包含8bit,1GB/8=128MB。

如果我们要做成容量为1GB的内存条则需要8颗这样的DDR3内存芯片,每颗芯片含8根数位线(DQ0-DQ7)则总数宽为64bit,这样正好用了一个Rank。

假果还用128MB的DDR3芯片去做2GB内存条,结果就会有所不同。我们最好选用4根数位线(DQ0-DQ3),数量是16颗,这样也是用了一个Rank。

在K2的项目中我们要做容量为8GB的内存条,则数量用64颗128M的DDR3,这样位宽高达64X4=256bit,要做成4个Rank。

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给主人留下些什么吧!~~

zhrui_92016-04-05 10:03:52

关于最后一段,我有一些疑问想请教楼主。容量为1GB的内存条,需要8个128MB的DDR3颗粒。那1GB的芯片中岂不是有64个bank,而64bit的数据位宽是这8个颗粒的位宽并列组合而成的吗?

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