DDR、DDR2、DDR3、DDR4、LPDDR區(qū)別

大家好，我是記得誠(chéng)。

今天分享DDR相關(guān)知識(shí)。

1 什么是DDR

DDR是Double Data Rate的縮寫(xiě)，即“雙比特翻轉(zhuǎn)”。DDR是一種技術(shù)，中國(guó)大陸工程師習(xí)慣用DDR稱(chēng)呼用了DDR技術(shù)的SDRAM，而在中國(guó)臺(tái)灣以及歐美，工程師習(xí)慣用DRAM來(lái)稱(chēng)呼。

DDR的核心要義是在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，上升沿和下降沿都做一次數(shù)據(jù)采樣，這樣400MHz的主頻可以實(shí)現(xiàn)800Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。

2 每一代DDR的基本區(qū)別

3 關(guān)鍵技術(shù)解釋

3.1 VTT

VTT為DDR的地址線(xiàn)，控制線(xiàn)等信號(hào)提供上拉電源，上拉電阻是50Ω左右。VTT=1/2VDDQ，并且VTT要跟隨VDDQ，因此需要專(zhuān)用的電源同時(shí)提供VDDQ和VTT。例如芯片TPS51206DSQT，LP2996。用專(zhuān)門(mén)的電源芯片，還有一個(gè)重要的原因，在Fly-by的拓?fù)渲?，VTT提供電流，增強(qiáng)DDR信號(hào)線(xiàn)的驅(qū)動(dòng)能力。

DDR的接收器是一個(gè)比較器，其中一端是VREF，另一端是信號(hào)，例如地址線(xiàn)A2在有VTT上拉的時(shí)候，A2的信號(hào)在0和1.8V間跳動(dòng)，當(dāng)A2電壓高于VTT時(shí)，電流流向VTT。當(dāng)A2低于VTT時(shí)，VTT流向DDR。因此VTT需要有提供電流和吸收電流的能力，一般的開(kāi)關(guān)電源不能作為VTT的提供者。此外，VTT電源相當(dāng)于DDR接收器信號(hào)輸入端的直流偏執(zhí)，且這個(gè)偏執(zhí)等于VREF，因此VTT的噪聲要越小越好，否則當(dāng)A2的狀態(tài)為高阻態(tài)時(shí)，DDR接收器的比較器容易產(chǎn)生誤觸發(fā)。

上文說(shuō)過(guò)，VTT相當(dāng)于DDR接收器的直流偏執(zhí)，其實(shí)如果沒(méi)有VTT，這個(gè)直流偏執(zhí)也存在，它在芯片的內(nèi)部，提供電流的能力很弱。如果只有1個(gè)或2個(gè)DDR芯片，走Fly-by拓?fù)?，那么不需要外部的VTT上拉。如果有2個(gè)以上的DDR芯片，則一定需要VTT上拉。

3.2 Prefetch

Prefetch字面意思就是預(yù)存取，每一代的DDR預(yù)存取大小不同，詳見(jiàn)第2章中表格。以DDR3為例，它的Prefetch=8n，相當(dāng)于DDR的每一個(gè)IO都有一個(gè)寬度為8的buffer，從IO進(jìn)來(lái)8個(gè)數(shù)據(jù)后，在第8個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)來(lái)后，才把這8個(gè)數(shù)據(jù)一次性的寫(xiě)入DDR內(nèi)部的存儲(chǔ)單元。下圖是一個(gè)形象的解釋?zhuān)瑫r(shí)我們關(guān)注一下幾個(gè)速率。DDR3的時(shí)鐘是800MHz，Data Rate是1600Mbps，由于這個(gè)Buffer的存在，DDR內(nèi)部的時(shí)鐘只需要200MHz就可以了（注意DDR內(nèi)部不是雙比特翻轉(zhuǎn)采樣）。

我們來(lái)做一個(gè)頻率對(duì)照表，如下：

DDR內(nèi)部的最小存儲(chǔ)單元（1bit）是一個(gè)晶體管+一個(gè)電容，電容會(huì)放電，需要不斷的“刷新”（充電）才能保持正常的工作狀態(tài)，由于電容充放電需要時(shí)間，DDR內(nèi)部的頻率受限于此，很難提高，目前技術(shù)一般在100~200MHz。因此需要用Prefetch技術(shù)來(lái)提內(nèi)部數(shù)據(jù)高吞吐率（其實(shí)就是串并轉(zhuǎn)換原理）。Prefetch位寬的提高，是DDR2,3,4非常顯著的變化。

第一段提到，對(duì)于DDR3，在第8個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)來(lái)后，F(xiàn)IFO滿(mǎn)了，然后才把這8個(gè)數(shù)據(jù)一次性的寫(xiě)入DDR內(nèi)部的存儲(chǔ)單元，那么必須要求DDR的內(nèi)部時(shí)鐘和外部時(shí)鐘有一定的約束關(guān)系，F(xiàn)IFO滿(mǎn)的時(shí)候一定是以DQS下降沿采樣結(jié)束的，數(shù)據(jù)手冊(cè)中對(duì)DQS的下降沿與clk有一個(gè)建立時(shí)間和保持時(shí)間的約束要求的目的原來(lái)是這樣。

3.3 SSTL

SSTL（Stub Series Terminated Logic）接口標(biāo)準(zhǔn)也是JEDEC所認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)之一。該標(biāo)準(zhǔn)專(zhuān)門(mén)針對(duì)高速內(nèi)存(特別是SDRAM)接口。SSTL規(guī)定了開(kāi)關(guān)特點(diǎn)和特殊的端接方案。

SSTL標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了IC供電，IO的DC和AC輸入輸出門(mén)限，差分信號(hào)門(mén)限，Vref電壓等。SSTL_3是3.3V標(biāo)準(zhǔn)，SSTL_2是2.5V標(biāo)準(zhǔn)，SSTL_18是1.8V標(biāo)準(zhǔn)，SSTL_15是1.5V。

SSTL最大的特點(diǎn)是需要終端匹配電阻，也叫終端終結(jié)電阻，上拉到VTT（1/2VDDQ）。這個(gè)短接電阻最大的作用是為了信號(hào)完整性，特別是在1拖多的Fly-by走線(xiàn)拓?fù)湎?，還能增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力。

3.4 Bank

以下圖為例，一個(gè)Bank中包含若干個(gè)Array，Array相當(dāng)于一個(gè)表單，選中“行地址”和“列地址”后，表單中的一個(gè)單元格就被選中，這個(gè)單元格就是一個(gè)bit。Bank中的所有Array的行地址是連在一起的，列地址也是。那么選中“行地址”和“列地址”后，將一起選中所有Array的bit。有多少個(gè)array，就有多少個(gè)bit被選中。以DDR3為例，Data線(xiàn)寬度是32，prefetch是8，那么Array就有32x8=256.內(nèi)部一次操作會(huì)選中256bit的數(shù)據(jù)。

Bank數(shù)量越多，需要的Bank選擇線(xiàn)越多，DDR3有8個(gè)bank，需要3個(gè)BA信號(hào)BA0~2。BA，行地址，列地址共同組成了存儲(chǔ)單元的訪(fǎng)問(wèn)地址，缺一不可。

3.5 DDR的容量計(jì)算

下圖是DDR3 1Gb的尋址配置，以其中128Mbx8為例說(shuō)明，其中x8表示IO數(shù)據(jù)（DQ）位寬度。

我的理解是，這個(gè)page size更像是邏輯上的一個(gè)頁(yè)，并不是一個(gè)bank中，一行的所有bit，因?yàn)橐恍械乃衎it要考慮prefetch寬度。

上表是JESD-3D中的表格，Row Address和Column Address都是真實(shí)需要尋址的地址，其他用途的地址比如A10，A12或者A11等并沒(méi)有計(jì)算在內(nèi)。在計(jì)算時(shí)，不要因?yàn)橛蠥13，就認(rèn)為Column Address就是A0~A13。

3.6 Burst

Burst字面意思是突發(fā)，DDR的訪(fǎng)問(wèn)都是以突發(fā)的方式連續(xù)訪(fǎng)問(wèn)同一行的相鄰幾個(gè)單元。進(jìn)行Brust時(shí)，需要有幾個(gè)參數(shù)：

Burst Length：一次突發(fā)訪(fǎng)問(wèn)幾個(gè)列地址。

Read/Write: 是讀還是寫(xiě)

Starting Column：從哪一列開(kāi)始Burst

Burst：突發(fā)的順序。

下圖是DDR3中突發(fā)類(lèi)型和順序，Burst是通過(guò)A12/BC#選擇的。但對(duì)于DDR，DDR2和DDR4，不一定就是通過(guò)A12/BC#，詳見(jiàn)PIN定義章節(jié)。

3.7 DDR的tRDC，CL，tAC

在實(shí)際工作中，Bank地址與相應(yīng)的行地址是同時(shí)發(fā)出的，此時(shí)這個(gè)命令稱(chēng)之為“行激活”（Row Active）。在此之后，將發(fā)送列地址尋址命令與具體的操作命令（是讀還是寫(xiě)），這兩個(gè)命令也是同時(shí)發(fā)出的，所以一般都會(huì)以“讀/寫(xiě)命令”來(lái)表示列尋址。根據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，從行有效到讀/寫(xiě)命令發(fā)出之間的間隔被定義為tRCD，即RAS to CAS Delay（RAS至CAS延遲，RAS就是行地址選通脈沖，CAS就是列地址選通脈沖），我們可以理解為行選通周期。tRCD是DDR的一個(gè)重要時(shí)序參數(shù)，廣義的tRCD以時(shí)鐘周期（tCK，Clock Time）數(shù)為單位，比如tRCD=3，就代表延遲周期為兩個(gè)時(shí)鐘周期，具體到確切的時(shí)間，則要根據(jù)時(shí)鐘頻率而定，DDR3-800，tRCD=3，代表30ns的延遲。

接下來(lái)，相關(guān)的列地址被選中之后，將會(huì)觸發(fā)數(shù)據(jù)傳輸，但從存儲(chǔ)單元中輸出到真正出現(xiàn)在內(nèi)存芯片的 I/O 接口之間還需要一定的時(shí)間（數(shù)據(jù)觸發(fā)本身就有延遲，而且還需要進(jìn)行信號(hào)放大），這段時(shí)間就是非常著名的 CL（CAS Latency，列地址脈沖選通潛伏期）。CL 的數(shù)值與 tRCD 一樣，以時(shí)鐘周期數(shù)表示。如 DDR3-800，時(shí)鐘頻率為 100MHz，時(shí)鐘周期為 10ns，如果 CL=2 就意味著 20ns 的潛伏期。不過(guò)CL只是針對(duì)讀取操作。

由于芯片體積的原因，存儲(chǔ)單元中的電容容量很小，所以信號(hào)要經(jīng)過(guò)放大來(lái)保證其有效的識(shí)別性，這個(gè)放大/驅(qū)動(dòng)工作由S-AMP負(fù)責(zé)，一個(gè)存儲(chǔ)體對(duì)應(yīng)一個(gè)S- AMP通道。但它要有一個(gè)準(zhǔn)備時(shí)間才能保證信號(hào)的發(fā)送強(qiáng)度（事前還要進(jìn)行電壓比較以進(jìn)行邏輯電平的判斷），因此從數(shù)據(jù)I/O總線(xiàn)上有數(shù)據(jù)輸出之前的一個(gè)時(shí)鐘上升沿開(kāi)始，數(shù)據(jù)即已傳向S-AMP，也就是說(shuō)此時(shí)數(shù)據(jù)已經(jīng)被觸發(fā)，經(jīng)過(guò)一定的驅(qū)動(dòng)時(shí)間最終傳向數(shù)據(jù)I/O總線(xiàn)進(jìn)行輸出，這段時(shí)間我們稱(chēng)之為 tAC（Access Time from CLK，時(shí)鐘觸發(fā)后的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間）。

目前內(nèi)存的讀寫(xiě)基本都是連續(xù)的，因?yàn)榕cCPU交換的數(shù)據(jù)量以一個(gè)Cache Line（即CPU內(nèi)Cache的存儲(chǔ)單位）的容量為準(zhǔn)，一般為64字節(jié)。而現(xiàn)有的Rank位寬為8字節(jié)（64bit），那么就要一次連續(xù)傳輸8次，這就涉及到我們也經(jīng)常能遇到的突發(fā)傳輸?shù)母拍?。突發(fā)（Burst）是指在同一行中相鄰的存儲(chǔ)單元連續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，連續(xù)傳輸?shù)闹芷跀?shù)就是突發(fā)長(zhǎng)度（Burst Lengths，簡(jiǎn)稱(chēng)BL）。

在進(jìn)行突發(fā)傳輸時(shí)，只要指定起始列地址與突發(fā)長(zhǎng)度，內(nèi)存就會(huì)依次地自動(dòng)對(duì)后面相應(yīng)數(shù)量的存儲(chǔ)單元進(jìn)行讀/寫(xiě)操作而不再需要控制器連續(xù)地提供列地址。這樣，除了第一筆數(shù)據(jù)的傳輸需要若干個(gè)周期（主要是之前的延遲，一般的是tRCD+CL）外，其后每個(gè)數(shù)據(jù)只需一個(gè)周期的即可獲得。

突發(fā)連續(xù)讀取模式：只要指定起始列地址與突發(fā)長(zhǎng)度，后續(xù)的尋址與數(shù)據(jù)的讀取自動(dòng)進(jìn)行，而只要控制好兩段突發(fā)讀取命令的間隔周期（與BL相同）即可做到連續(xù)的突發(fā)傳輸。

談到了突發(fā)長(zhǎng)度時(shí)。如果BL=4，那么也就是說(shuō)一次就傳送4×64bit的數(shù)據(jù)。但是，如果其中的第二筆數(shù)據(jù)是不需要的，怎么辦？還都傳輸嗎？為了屏蔽不需要的數(shù)據(jù)，人們采用了數(shù)據(jù)掩碼（Data I/O Mask，簡(jiǎn)稱(chēng)DQM）技術(shù)。通過(guò)DQM，內(nèi)存可以控制I/O端口取消哪些輸出或輸入的數(shù)據(jù)。這里需要強(qiáng)調(diào)的是，在讀取時(shí)，被屏蔽的數(shù)據(jù)仍然會(huì)從存儲(chǔ)體傳出，只是在“掩碼邏輯單元”處被屏蔽。DQM由北橋控制，為了精確屏蔽一個(gè)P-Bank位寬中的每個(gè)字節(jié)，每個(gè)DIMM有8個(gè)DQM 信號(hào)線(xiàn)，每個(gè)信號(hào)針對(duì)一個(gè)字節(jié)。這樣，對(duì)于4bit位寬芯片，兩個(gè)芯片共用一個(gè)DQM信號(hào)線(xiàn)，對(duì)于8bit位寬芯片，一個(gè)芯片占用一個(gè)DQM信號(hào)，而對(duì)于 16bit位寬芯片，則需要兩個(gè)DQM引腳。

在數(shù)據(jù)讀取完之后，為了騰出讀出放大器以供同一Bank內(nèi)其他行的尋址并傳輸數(shù)據(jù)，內(nèi)存芯片將進(jìn)行預(yù)充電的操作來(lái)關(guān)閉當(dāng)前工作行。還是以上面那個(gè)Bank示意圖為例。當(dāng)前尋址的存儲(chǔ)單元是B1、R2、C6。如果接下來(lái)的尋址命令是B1、R2、C4，則不用預(yù)充電，因?yàn)樽x出放大器正在為這一行服務(wù)。但如果地址命令是B1、R4、C4，由于是同一Bank的不同行，那么就必須要先把R2關(guān)閉，才能對(duì)R4尋址。從開(kāi)始關(guān)閉現(xiàn)有的工作行，到可以打開(kāi)新的工作行之間的間隔就是tRP（Row Precharge command Period，行預(yù)充電有效周期），單位也是時(shí)鐘周期數(shù)。

3.8 ODT

ODT是內(nèi)建核心的終結(jié)電阻，它的功能是讓一些信號(hào)在終結(jié)電阻處消耗完，防止這些信號(hào)在電路上形成反射。換句話(huà)說(shuō)就是在片內(nèi)設(shè)置合適的上下拉電阻，以獲得更好的信號(hào)完整性。被ODT校準(zhǔn)的信號(hào)包括：

DQ, DQS, DQS# and DM for x4 configuration

DQ, DQS, DQS#, DM, TDQS and TDQS# for X8 configuration

DQU, DQL, DQSU, DQSU#, DQSL, DQSL#, DMU and DML for X16 configuration

當(dāng)一個(gè)CPU掛了很多個(gè)DDR芯片的時(shí)候，他們是共用控制線(xiàn)，地址線(xiàn)的，走線(xiàn)肯定要分叉，如果沒(méi)有中端匹配電阻，肯定會(huì)產(chǎn)生信號(hào)完整性問(wèn)題。那么如果只有一個(gè)DDR芯片的時(shí)候，需不需要呢？正常情況下，走線(xiàn)很短，有符合規(guī)則，是不需要的。

下圖是DDR中的IO上下拉電阻，RON是DDR的輸出結(jié)構(gòu)的上下拉電阻，RTT是DDR輸入結(jié)構(gòu)的上下拉電阻。這兩個(gè)電阻的阻值都是可調(diào)的。

下圖是RON的調(diào)節(jié)，注意這不是ODT的任務(wù)，調(diào)節(jié)是通過(guò)寄存器實(shí)現(xiàn)。

下圖是RTT的調(diào)節(jié)，是ODT要做的事情，而且RTT的檔位要多，也是通過(guò)寄存器調(diào)節(jié)的。

注意，DDR3的PIN定義上有一個(gè)引腳是ODT，如果ODT=0，DRAM Termination State功能關(guān)閉；ODT=1，DRAM Termination State的功能參考寄存器設(shè)置。如下是一個(gè)真值表。因?yàn)镈RAM Termination State非常耗電，所以不用的時(shí)候最好不要打開(kāi)。

3.9 DDR3的ZQ

ZQ信號(hào)在DDR3時(shí)代開(kāi)始引入，要求在ZQ引腳放置一個(gè)240Ω±1%的高精度電阻到地，注意必須是高精度。而且這個(gè)電阻是必須的，不能省略的。進(jìn)行ODT時(shí)，是以這個(gè)引腳上的阻值為參考來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)的。

校準(zhǔn)需要調(diào)整內(nèi)部電阻，以獲得更好的信號(hào)完整性，但是內(nèi)部電阻隨著溫度會(huì)有些細(xì)微的變化，為了將這個(gè)變化糾正回來(lái)，就需要一個(gè)外部的精確電阻作為參考。詳細(xì)來(lái)講，就是為RTT和RON提供參考電阻。

3.10 OCD

OCD 是在 DDR-II 開(kāi)始加入的新功能，而且這個(gè)功能是可選的，有的資料上面又叫離線(xiàn)驅(qū)動(dòng)調(diào)整。OCD的主要作用在于調(diào)整 I/O 接口端的電壓，來(lái)補(bǔ)償上拉與下拉電阻值， 從而調(diào)整DQS 與 DQ 之間的同步確保信號(hào)的完整與可靠性。調(diào)校期間，分別測(cè)試 DQS 高電平和 DQ高電平，以及 DQS 低電平和 DQ 高電平的同步情況。如果不滿(mǎn)足要求，則通過(guò)設(shè)定突發(fā)長(zhǎng)度的地址線(xiàn)來(lái)傳送上拉 / 下拉電阻等級(jí)（加一檔或減一檔），直到測(cè)試合格才退出 OCD 操作，通過(guò) OCD 操作來(lái)減少 DQ 、 DQS的傾斜從而提高信號(hào)的完整性及控制電壓來(lái)提高信號(hào)品質(zhì)。由于在一般情況下對(duì)應(yīng)用環(huán)境穩(wěn)定程度要求并不太高，只要存在差分 DQS時(shí)就基本可以保證同步的準(zhǔn)確性， 而且 OCD 的調(diào)整對(duì)其他操作也有一定影響， 因此 OCD 功能在普通臺(tái)式機(jī)上并沒(méi)有什么作用，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在對(duì)數(shù)據(jù)完整性非常敏感的服務(wù)器等高端產(chǎn)品領(lǐng)域。

4 DDR3的PIN定義

下面是三星K4B4G0446Q/K4B4G0846Q的PIN定義，每一個(gè)都有很詳細(xì)的解釋。

以x8的配置為例，如下是其Ball Map。

一對(duì)時(shí)鐘線(xiàn)CK和CKn

數(shù)據(jù)線(xiàn)DQ0~DQ7共8位。

一對(duì)差分對(duì)DQS和DQSn

地址線(xiàn)A0~A15，其中，A10和A12有特殊用途。

行選中信號(hào)RASn

列選中信號(hào)CASn

寫(xiě)使能Wen

片選CSn

Bank選擇BA0~2

一個(gè)Reset信號(hào)，是DDR3新增的一項(xiàng)重要功能，并為此專(zhuān)門(mén)準(zhǔn)備了一個(gè)引腳。這一引腳將使DDR3的初始化處理變得簡(jiǎn)單。當(dāng)Reset命令有效時(shí)，DDR3 內(nèi)存將停止所有的操作，并切換至最少量活動(dòng)的狀態(tài)，以節(jié)約電力。在Reset期間，DDR3內(nèi)存將關(guān)閉內(nèi)在的大部分功能，所有數(shù)據(jù)接收與發(fā)送器都將關(guān)閉，且所有內(nèi)部的程序裝置將復(fù)位，DLL（延遲鎖相環(huán)路）與時(shí)鐘電路將停止工作，甚至不理睬數(shù)據(jù)總線(xiàn)上的任何動(dòng)靜。這樣一來(lái)，該功能將使DDR3達(dá)到最節(jié)省電力的目的。

ZQ和ODT PIN上文已經(jīng)說(shuō)明。

5 DDR的走線(xiàn)規(guī)則

DDR的信號(hào)線(xiàn)需要分組：

數(shù)據(jù)線(xiàn)一組（DQ,DQS,DQM），誤差控制在20mil以?xún)?nèi)；

控制線(xiàn)一組（Address，控制線(xiàn)，時(shí)鐘），以時(shí)鐘為中心，誤差控制在100mil以?xún)?nèi)。

審核編輯：湯梓紅