DDR3基础知识

DDR3基础简介

DDR3 SDRAM（double-data-rate 3 synchronous dynamic RAM）即第三代双倍数据速率同步动态随机存储器。

• 同步：指DDR3数据的读取写入是按时钟同步的
• 动态：指DDR3中的数据掉电无法保存，且需要周期性的刷新，才能保持数据
• 随机存取：可以随机操作任一地址的数据
• 双倍数据速率：时钟的上升沿和下降沿都发生数据传输

关键技术

Prefetch 预取

DRAM内部存储单元的核心频率提高比较困难且成本较高，引入 prefetch 来保障数据传输速率的增长。本质上是并串转换，通过并行方式提前取得数据再串行输出，从而提升数据传输速率。

在DDR3中采用8-bit prefetch或8-n prefetch（n代表芯片位宽），从而使实际数据传输速率为核心频率的8倍。

芯片位宽的另一种说法是配置模式（Configuration），在DDR3时代，一般有x4，x8，x16
当DDR3 为x8 Configuration时，一个Cell的容量为8x8bits，即8个字节。换一句话说，在指定bank、row地址和col地址之后，可以往该地址内写入（或读取）8 Bytes。

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Burst 突发传输

Burst（突发）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。

Burst Lengths（突发长度，简称BL）指连续传输所涉及到存储单元（列）的数量就是突发长度。

在DDR3 SDRAM时代,内部配置采用了8n prefetch（预取）来实现高速读写。这也导致了DDR3的Burst Length一般都是8。当然也有Bursth ength为4的设置（BC4），是指另外4笔数据是不被传输的或者被认为无效。

示例：MT41K256M16xx-125

以MT41K256M16 为例，其命名规则如下：

时钟频率与带宽

关于DDR的时钟频率相关参数主要有如下三种：

• core freq： 核心频率，用于DDR内部cell（存储单元）的时钟
• clock freq：时钟频率，用于DDR的IO buffer的时钟，同时也是IO接口时钟，是通过核心频率倍频4倍得到
• data bus/rate：数据速率，单根数据线的数据传送次数

他们之间的关系如下：

从 part number 中的 speed 选项可知，-125 所支持的最小时钟周期 tCK = 1.25ns，对应芯片支持的最大 IO 时钟频率为 800MHz。

不同速度等级对应的时间参数如下：

表中 data rate 为单数据线的数据速率，DDR为双边沿传输，因此 -125 对应 1600 MT/s（Mega Transfers/s），有时也对应称此内存为 DDR3-1600

那么这片16位数据线内存的带宽为：

1600MT/s∗16bit=25600Mbit/s=3200MB/s

在实际应用确定DDR3工作频率时，除了DDR3本身时钟速率的限制，我们还需要考虑控制器所能支持的输出频率。例如，MT41K256M16是支持1.35V（DDR3L）和1.5V（DDR3）两个电平标准，当我们用 Xilinx K7的FF封装FPGA芯片作为控制器时，参考 DS182 手册查看支持的最高速率：

采用不同bank类型以及电压均对支持的最大速率有影响

地址及容量计算

所对应的功能框图如下：

MT41J256M16拥有18根地址线和16跟数据线：

端口	类型	描述
BA[2:0]	I	地址线：Bank地址选择，模式寄存器选择
A[14:0]	I	地址线：复用行列地址线
DQ[15:0]	I/O	数据线

在DDR4往后，开始有BANK GROUP概念，BANK被划分为两组BANK GROUP，由BG0进行控制，此时BA变为两位。并且地址线A中拥有1位专用于区分行地址和列地址。可参考： https://blog.youkuaiyun.com/u012489236/article/details/107730731

从DDR的命名中可以知道：MT41J256M16 是一片 256M*16 bit = 4 Gb 容量的内存。4Gb 这个系列根据颗粒大小的参数区别如下：

DDR3的内部是由8个逻辑 bank 组成，如下所示

每个bank类似于一个表格，通过指定行与列来确定具体的存储单元。DDR3通过分时复用的方式，将有限的地址线能够寻址更大的容量。

对于DDR3还有物理 bank 概念（即 rank），rank 针对于系统而非内存本身。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总线位宽的数据。目前这个位宽通常为64 bit，如果DDR3有128 bit地址线，则为2个rank。

关于容量的计算

在1个bank中，有15位行地址与10位列地址，数据宽度为16位（每个存储单元为16bit）。

• 行地址容量为：2^15 = 32K
• 列地址容量为：2^10 = 1K
• 每个bank的地址总容量为：32K * 1K = 32 M，即 configuration 中对应的 32 Meg
• DDR总地址容量为：32M * 8 = 256 M，即名称中的 256 Meg
• 每行的存储容量为：1K * 16 bit = 16 Kbit = 2 KB，称为 page size

我们对应功能框图中的一个bank容量标识：

（行地址）（列地址）（数据宽度预取）32768（行地址）∗128（列地址/8）∗128（数据宽度∗8 bit预取）

列地址/8与突发传输有关，对于DDR3一般突发长度为8（对应8-bit prefetch），每次传输8列的数据，因此列地址只需要原来的八分之一。

从功能框图也可以看到，列地址寻址范围为 2^7，只有7bit用于了列地址译码：

列地址的低三位 A[2:0]以及 A[3] 被用作 burst 读写中地址顺序的规定：

比如一次Burst Read的时候如果CA[2:0]=3’b001表示低三位从地址1开始读取， - CA3=0的时候按顺序读取1，2，3，0，5，6，7，4，

• CA3=1的时候为交错读取1，0，3，2，5，4，7，6。

对于Prefetch而言，正好是8N Prefetch，对于Burst而言对应BL8。BC4其实也是一次BL8的操作，只是丢弃了后一半的数据。

引脚说明

为了更好的认识，可以将DDR3的数字引脚按照功能分类为：控制组，地址组和数据组三类

控制组

所有带#信号均为低电平有效

名称	功能	描述
CK，CK#	差分时钟输入	所有控制和地址输入信号在CK上升沿和CK#的下降沿交叉处被采样,输出数据选通(DQs,DQS#)参考与CK和CK#的交叉点。
CKE	时钟使能	内部时钟使能信号
CS#	片选	CS#为低时DDR芯片使能，CS#的参考值是VREFCA
RAS#	行地址	行地址标识信号，其参考值是VREFCA
CAS#	列地址	列地址标识信号，其参考值是VREFCA
WE#	读写	低电平表示写，高电平表示读操作，其参考值是VREFCA
RESET#	复位	参考值是 VSS
ODT	片上终端使能	在正常操作使能时，ODT仅对：DQ[7：0]、DQS、DQS#和DM引脚有效。如果通过LOADMODE命令禁止，ODT输入被忽略。ODT的参考值是VREFCA。
ZQ#	外部校准	输出驱动校准的外部参考，这个引脚应该连接240欧姆电阻到VSSQ。

CS#，RAS#，CAS#和WE#可以构成命令组，它们将在时钟的上升沿被采用，在DDR手册中可以查看对应的真值表。

地址组

名称	功能	描述
A[14:0]	地址总线	为 ACTIVATE命令提供行地址 为 READ/WRTE 命令提供列地址和自动预充电位(A10)，以便从某个Bank的内存阵列里选出一个位置。 LOAD MODE命令期间，地址输入提供一个操作码。地址输入的参考值是 VREFCA
BA[2:0]	bank选通	确定要操作的Bank，参考值是VREFCA

数据组

名称	功能	描述
DQ	数据总线	双向总线
DQS，DQS#	数据选通	用于数据同步： 读时是输出，边缘与读出的数据对齐。 写时是输入，中心与写数据对齐。
TDQS，TDQS#	数据选通	功能与DQS相同，只是当两种不同的DIMM混合应用在同一个系统时，DQS的负载就会不同，这样会造成信号完整性问题，TDQS就是为了解决这个问题的。 当TDQS使能时，DM必须禁止，TDQS和TDDS提供终端电阻。
DM	数据屏蔽	DM是写数据的输入屏蔽信号，在写期间，当DM信号被采样为高时，输入数据被屏蔽。 虽然DM仅作为输入脚，但是DM负载被设计成与DQ和DQS脚负载相匹配。DM的参考值是 VREFCA。 注意: DQS与DM共用一个物理引脚，所以DM可选作为TDQS。

DDR操作

命令模式

其中V表示逻辑电平H或L。

DES & NOP

DES（取消选择）和NOP（无操作）命令比较类似：

• DES防止DRAM执行新命令
• NOP防止不需要的命令在空闲或等待期间执行

对于已经进行的操作两者都不会影响

ZQCL & ZQCS

ZQCL（ZQ校准长）和ZQCS（ZQ校准短）都用于校准，区别在于：

• ZQCL用于上电初始化和复位序列期间执行初始校准，校准完成后会更新RON和ODT值。
• ZQCS用于执行定期校准来解决电压和温度的小变化，在64个时钟周期内完成校准

ACT

ACT（启用）用于打开（或激活）特定bank中的行以便后续访问。在此期间该行将保持打开（或活动）直到该bank发出PRECHARGE命令。打开同一bank中不同行之前必须执行PRECHARGE命令。

PRE & PREA

PRECHARGE（预充电） 命令⽤于取消激活特定 bank 中的打开或全部 bank。bank 在发出预充电命令的 tRP 时间后可以继续访问后续行。

bank 在预充电后处于空闲状态，在任意读操作之前必须激活（ACT）bank或发出写命令（WR）。

RD

READ命令用于启动对话行的突发读取访问。

• 输⼊ A[2:0] 以及突发顺序表选择起始列地址。
• 输⼊ A[10] 上的值决定是否使⽤⾃动预充电。如果选择了⾃动预充电，则正在访问的行将在 READ 突发结束时进行预充电，否则该行将保持打开状态以供后续访问。
• 输入 A[12] 上的值（如果模式寄存器启用）决定使用BC4（0）或BL8（1）

WR

WRITE 命令⽤于启动对活动行的突发写⼊访问。

• 输入 BA[2:0] 值决定选择 bank，地址 A 的作用与 RD 相似
• 出现在 DQ 上的输⼊数据被写⼊受 DM 输⼊影响，如果给定的 DM 信号为低电平，数据将被写入内存，反之数据将被忽略。

REF

REFRESH（刷新） 命令在 DRAM 正常运行期间使⽤，与地址位无关，平均间隔为7.8us。最多可以将⼋个 REFRESH 命令发布到任何 给定的 DRAM。

SRE & SRX

SELF REFRESH（自刷新） 命令⽤于在 DRAM 中保留数据，DRAM ⽆需外部时钟即可保留数据。

write leveling

为了更好的信号完整性，DDR3 SDRAM 内存模块对命令、地址、控制信号和时钟采⽤了 fly-by 拓扑。Fly-by拓扑能有效减少stub的长度，但是较长的走线带来了CK-CK#与DQS-DQS#间的时延（由于CK-CK#的飞行时间，其到达每个DDR3颗粒的时间不同，而DQS-DQS#通常为点到点拓扑）。

write leveling（写均衡）通过 DRAM 提供的简单反馈功能调整或消除 DRAM 上的 DQS 选通脉冲（DQS、DQS#）与 CK 的关系。

Wrtie leveling 是一个完全自动的过程。CPU 不停的发送不同时延的DQS 信号，DDR3 SDRAM 颗粒在DQS-DQS#的上升沿采样CK 的状态，并通过DQ 线反馈给DDR3 控制器。控制器端反复的调整DQS-DQS#的延时，直到控制器端检测到DQ 线上0 到1 的跳变（说明tDQSS参数得到了满足）。控制器就lock 住此时的delay value。此时便完成了一个Wrtie leveling过程。

Leveling 过程中，DQS-DQS#从控制器端输出，所以在DDR3 SDRAM 侧必须进行端接；同理，DQ 线由DDR3 SDRAM 颗粒侧输出，在控制器端必须进行端接；

系统状态机