DRAM工作原理及时序分析

DRAM工作原理及时序分析2014年11月02日⁄裸机程序⁄共3224字⁄字号小中大⁄暂无评论⁄阅读132次下一节准备将代码重定位到DDRSDRAM，所以本节先对一些基础知识进行学习一下。DDR出身自SDRAM，严格的说应该叫DDRSDRAM，DDRSDRAM是DoubleDataRateSDRAM的缩写，是双倍速率同步动态随机存储器的意思，所以，有很大一部分，两者是一样的，理解SDRAM，然后再来理解DDR。在SDRAM上的改进，效果应该更好一些，本文参考大神TekkamanNinja的博客中介绍的，并加入了一些自己的讲解。先上一张SDRAM的结构图，如下图所示SDRAM结构图下面上一张简易的SDRAM工作流程图SDRAM的内部是一个存储阵列，阵列就如同表格一样，将数据“填”进去。在数据读写时和表格的检索原理一样，先指定一个行（ROW），在指定一个列（COL），我们就可以准确的找到所需要的单元格，这就是内存芯片寻址的基本原理。这个单元格（存储阵列）就叫做逻辑BANK（简称L-Bank）。SDRAM是多Bank结构，例如在一个具有两个Bank的SDRAM的模组中，其中一个Bank在进行预充电期间，另一个Bank却马上可以被读取，这样当进行一次读取后，又马上去读取已经预充电Bank的数据时，就无需等待而是可以直接读取了，这也就大大提高了存储器的访问速度。为了实现这个功能，SDRAM需要增加对多个Bank的管理，实现控制其中的Bank进行预充电。在一个具有2个以上Bank的SDRAM中，一般会多一根叫做BAn的引脚，用来实现在多个Bank之间的选择。另外它们的行、列地址线共用，由行地址选通（（CAS）、列地址选通（RAS）信号分时控制。SDRAM简易工作流程图图中用红色标明的就是我们需要找的几个主要时间，现在开始看图说话1、芯片初始化SDRAM芯片内部有一个逻辑控制单元，并且有一个模式寄存器为其提供控制参数。因此，每次开机时都要先对这个控制逻辑核心进行初始化。2、行有效初始化完成后，要想对一个L-Bank中的阵列进行寻址，首先就要确定行（Row），使之处于活动状态（Active），然后再确定列。简单点理解就先传行地址过来。3、列读写行地址确定之后，就要对列地址进行寻址了。读写的信号和列地址是同时发过来的，读写的操作取决于WE#引脚，当他使能则为写，否则为读。在发送列读写命令时必须要与行有效命令有一个间隔，这个间隔被定义为tRCD，即RAStoCASDelay（RAS至CAS延迟），大家也可以理解为行选通周期，简单点理解就是说，在发完行地址后，再发列地址和读写信号时，需要延迟一下，这应该是根据芯片存储阵列电子元件响应时间（从一种状态到另一种状态变化的过程）所制定的延迟。广义的tRCD以时钟周期（tCK，ClockTime）数为单位，比如tRCD=2，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，对于PC100SDRAM，tRCD=2，代表1000/100*2=20ns的延迟，下图是tRCD=3的时序图。SDRAM时序图tRCD说明4、数据输出（读）在选定列地址后，就已经确定了具体的存储单元，剩下的事情就是数据通过数据I/O通道（DQ）输出到内存总线上了。但是在CAS发出之后，仍要经过一定的时间才能有数据输出，从CAS与读取命令发出到第一笔数据输出的这段时间，被定义为CL（CASLatency，CAS潜伏期）。由于CL只在读取时出现，所以CL又被称为读取潜伏期（RL，ReadLatency），下图是CL=2的示意图。SDRAM时序图CL说明5、数据输入（写）数据写入的操作也是在tRCD之后进行，但此时没有了CL（记住，CL只出现在读取操作中），行寻址与列寻址的时序图和上文一样，只是在列寻址时，WE#为有效状态。为了保证数据的可靠写入，都会留出足够的写入/校正时间（tWR，WriteRecoveryTime），这个操作也被称作写回（WriteBack）。tWR至少占用一个时钟周期或再多一点（时钟频率越高，tWR占用周期越多）6、突发长度--(BurstLengths)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，连续传输所涉及到存储单元（列）的数量就是突发长度（BurstLengths，简称BL）。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。7、预充电由于SDRAM的寻址具体独占性，所以在进行完读写操作后，如果要对同一个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。Bank关闭现有工作行，准备打开新行的操作就是预充电（Precharge）。在发出预充电命令之后，要经过一段时间才能允许发送RAS行有效命令打开新的工作行，这个间隔被称为tRP（PrechargecommandPeriod，预充电有效周期）。和tRCD、CL一样，tRP的单位也是时钟周期数，具体值视时钟频率而定。8、刷新之所以称为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，都是用S-AMP先读再写。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。比如我有四片，刷新是我依次刷新四片内存中的某个地址，然后再刷下一个；而预充电的工作行地址可以不同。那么要隔多长时间重复一次刷新呢？目前公认的标准是，存储体中电容的数据有效保存期上限是64ms（毫秒，1/1000秒），也就是说每一行刷新的循环周期是64ms。这样刷新速度就是：行数量/64ms。我们在看内存规格时，经常会看到4096RefreshCycles/64ms或8192RefreshCycles/64ms的标识，这里的4096与8192就代表这个芯片中每个L-Bank的行数。刷新命令一次对一行有效，发送间隔也是随总行数而变化，4096行时为15.625μs（微秒，1/1000毫秒），8192行时就为7.8125μs。刷新操作分为两种：自动刷新（AutoRefresh，简称AR）与自刷新（SelfRefresh，简称SR）。SR则主要用于休眠模式低功耗状态下的数据保存，这方面最著名的应用就是STR（SuspendtoRAM，休眠挂起于内存）。在发出AR命令时，将CKE置于无效状态，就进入了SR模式，此时不再依靠系统时钟工作，而是根据内部的时钟进行刷新操作。在SR期间除了CKE之外的所有外部信号都是无效的（无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进入正常操作状态。