淺談DDR內(nèi)存技術(shù)原理1

DRAM基本組成

對于DRAM，其主要由行和列組成，每一個bit中都是由類似右下圖的類晶體管的結(jié)構(gòu)組成，對于sdram的數(shù)據(jù)，可以通過控制column和row就可以訪問sdram的隨機(jī)地址的內(nèi)容。

·讀取某一個bit的狀態(tài)，就是選中word line，那么圖示中的晶體管M1就會導(dǎo)通，通過bit line的sense就可以感知到這個時候電容Cs上的狀態(tài)，例如，現(xiàn)在如果這個bit的狀態(tài)為1，那么導(dǎo)通之后就會從bit line上得到1，反之也是同樣的道理。

·向某一bit寫入1，首先通過row decoder選中word line,將會導(dǎo)致m1導(dǎo)通，那么bit line為1，會導(dǎo)致電容Cs充電，導(dǎo)致其電平為1，如果要寫入，那么bit line的電平 為0，將會導(dǎo)致電容Cs放電，致使此時的電平為0。

由上面可以看出一個位只能表示一個bit，那么我們想讀取多個位的時候，該怎么辦呢？那就出現(xiàn)了ddr中的bank的概念，由多個memory array就組成了一個bank，如下圖,一次可以讀取2bit/4bit/8bit的數(shù)據(jù)：

由多個bank就可以組成一個memory device，如下圖，一個dram的芯片，由8個banks組成，而每個bank由4個memory array構(gòu)成，而此時每個bank輸出4個bit的I/O bus，那么為什么會出現(xiàn)bank的概念呢？動態(tài)內(nèi)存區(qū)別于靜態(tài)內(nèi)存要定時刷新，每讀取一個狀態(tài)的時候，都需要重新充電。如果沒有采用bank，假設(shè)我們現(xiàn)在要讀取01-08地址的數(shù)據(jù)，當(dāng)讀取01的地址后，要等這個bank自刷新后才能讀取02地址的值，而采用8個bank之后，沒有這類問題，例如我們讀取完01地址之后，那么讀取02，因?yàn)?2與01的控制方式不同，所以對于這段時間01可以后臺的完成自刷新，依次類推，那么就可以很好的解決動態(tài)內(nèi)存需要刷新的問題。

上圖中，對于RANK、DIMM等在深入淺出DDR系列(1)——DDR原理篇中已經(jīng)詳細(xì)介紹了。

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DDR工作原理

了解了DDR的基本組成后，我們來看看DDR如何來完成一次的讀寫過程。如下圖所示，DRAM 的相關(guān)操作在內(nèi)部大概可以分為以下的四個階段：

·command transport and decode: 在這個階段，Host 端會通過 Command Bus 和 Address Bus 將具體的 Command 以及相應(yīng)參數(shù)傳遞給 DRAM。DRAM 接收并解析 Command，接著驅(qū)動內(nèi)部模塊進(jìn)行相應(yīng)的操作。其中會根據(jù)將addr bus上的數(shù)據(jù)解碼成對應(yīng)的row address和通過bank control解碼后得到對應(yīng)的bank，其次對應(yīng)的column也會解碼得到對應(yīng)的地址

**·in bank data movement: **在這個階段，第一階段發(fā)送需要讀取的 Column 的地址給 DRAM。然后 DRAM 再將 Active Command 所選中的 Row 中，DRAM 就將 Memory Array 中的數(shù)據(jù)從 DRAM Cells 中讀出到 Sense Amplifiers，或者將數(shù)據(jù)從 Sense Amplifiers 寫入到 DRAM Cells。

·in device data movement: 這個階段中，數(shù)據(jù)將通過 IO 電路緩存到 Read Latchs 或者通過 IO 電路和 Write Drivers 更新到 Sense Amplifiers。

**·system data transport: **在這個階段，進(jìn)行讀數(shù)據(jù)操作時，SDRAM 會將數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)總線上，進(jìn)行寫數(shù)據(jù)操作時，則是 Host 端的 Controller 將數(shù)據(jù)輸出到總線上。

在上述的四個階段中，每個階段都會有一定的耗時，例如數(shù)據(jù)從 DRAM Cells 搬運(yùn)到 Read Latchs 的操作需要一定的時間，因此在一個具體的操作需要按照一定時序進(jìn)行。同時，由于內(nèi)部的一些部件可能會被多個操作使用，例如讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)都需要用到部分 IO 電路，因此多個不同的操作通常不能同時進(jìn)行，也需要遵守一定的時序。此外，某些操作會消耗很大的電流，為了滿足 SDRAM 設(shè)計上的功耗指標(biāo)，可能會限制某一些操作的執(zhí)行頻率。

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DRAM基本命令

對于一款ddr，我們需要知道通過什么樣的方式來控制完成我們需要，我們來看看ddr的狀態(tài)，ddr的工作就是在這幾個狀態(tài)之間切換：

在芯片上電后，完成初始化后，dram處于idle階段，上圖是需要進(jìn)入各個階段的時候，應(yīng)該需要進(jìn)行那些基本的操作，對于ddr使用比較頻繁的幾個基本命令訪問方式如下

·刷新模式: 儲體中電容的數(shù)據(jù)有效是有時間限制的，所以為了保證數(shù)據(jù)的不丟失，所以要對ddr進(jìn)行定時的刷新，SDRAM內(nèi)部有一個行地址生成器（也稱刷新計數(shù)器）用來自動的依次生成行地址。由于刷新是針對一行中的所有存儲體進(jìn)行。該模式是由Host主動控制DRAM完成刷新，存儲體中電容的數(shù)據(jù)有效保存期上限是64ms（毫秒，1/1000秒），也就是說每一行刷新的循環(huán)周期是64ms。

·自我刷新模式： 當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，只需要發(fā)送一條 SRF指令，主要用于休眠模式低功耗狀態(tài)下的數(shù)據(jù)保存，比較常見的應(yīng)用是STR（Suspend to RAM，休眠掛起于內(nèi)存）。就進(jìn)入了該模式，此時不再依靠系統(tǒng)時鐘工作，而是根據(jù)內(nèi)部的時鐘進(jìn)行刷新操作。期間除了CKE之外的所有外部信號都是無效的（無需外部提供刷新指令），只有重新使CKE有效才能退出自刷新模式并進(jìn)入正常操作狀態(tài)。

·MRS模式(mode register set): 模式寄存器中的數(shù)據(jù)控制著 DDR2 SDRAM的操作模式.它控制著 CAS 延遲, 突發(fā)長度, 突發(fā)順序, 測試模式, DLL復(fù)位, WR等各種選項(xiàng)，支持著 DDR2 SDRAM 的各種應(yīng)用. 模式寄存器的默認(rèn)值沒有被定義, 所以上電之后必須按規(guī)定的時序規(guī)范來設(shè)定模式寄存器的值。

·EMRS 擴(kuò)展模式寄存器: 存儲著激活或禁止DLL的控制信息, 輸出驅(qū)動強(qiáng)度, ODT 值的選擇 和附加延遲等信息。

·預(yù)充電： 對一行讀寫操作后，關(guān)閉現(xiàn)有工作行，準(zhǔn)備打開新行的操作就是預(yù)充電。

·讀過程： 訪問操作開始ACT一個激活命令，主要是激活bank和rol，就等于選通了某一Bank的某一行，接著發(fā)送一個read指令，就可以通過數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)送出去了，然后就進(jìn)行預(yù)充電，恢復(fù)到讀寫的狀態(tài)，預(yù)充電完成后，就恢復(fù)到idle狀態(tài)。

·寫過程： 與讀過程基本類似。

DRAM的基本命令是通過操作各種控制信號/地址信號的組合來完成，下表是DRAM的命令表：