【转】DDR3详解（以Micron MT41J128M8 1Gb DDR3 SDRAM为例）

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这两天正在学习FPGA如何控制DDR3的读写，找到一篇个人感觉比较有意义的文章，可以对DDR的内部结构有一个初步的了解。原文出处：http://blog.chinaunix.net/uid-28458801-id-3459509.html，感谢大神的付出。

   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，下面简称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。

谈到了突发长度时。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。

1．结构框图：

2．管脚功能描述

3．状态图：

Power on: 上电

Reset Procedure: 复位过程

Initialization: 初始化

ZQCL: 上电初始化后，用完成校准ZQ电阻。ZQCL会触发DRAM内部的校准引擎，

      一旦校准完成，校准后的值会传递到DRAM的IO管脚上，并反映为输出驱动和ODT阻值。

ZQCS: 周期性的校准，能够跟随电压和温度的变化而变化。校准需要更短的时间窗口，

      一次校准，可以有效的纠正最小0.5%的RON和RTT电阻。

Al：Additive latency.是用来在总线上保持命令或者数据的有效时间。

    在ddr3允许直接操作读和写的操作过程中，AL是总线上的数据出现到进入器件内部的时间。

    下图为DDR3标准所支持的时间操作。

Write Leveling:为了得到更好的信号完整性，DDR3存储模块采取了FLY_BY的拓扑结构，

     来处理命令、地址、控制信号和时钟。FLY_BY的拓扑结构可以有效的减少stub的数量和他们的长度，

     但是却会导致时钟和strobe信号在每个芯片上的flight time skew,这使得控制器（FPGA或者CPU）

     很难以保持Tdqss ,tdss和tdsh这些时序。这样，ddr3支持write leveling这样一个特性，

     来允许控制器来补偿倾斜（flight time skew）。存储器控制器能够用该特性和从DDR3反馈的数据调成DQS和CK之间的关系。

     在这种调整中，存储器控制器可以对DQS信号可调整的延时，来与时钟信号的上升边沿对齐。

     控制器不停对DQS进行延时，直到发现从0到1之间的跳变出现，然后DQS的延时通过这样的方式被建立起来了，由此可以保证tDQSS。

MRS: MODE Register Set, 模式寄存器设置。为了应用的灵活性，不同的功能、特征和模式等在四个在DDR3芯片上的Mode Register中，

     通过编程来实现。模式寄存器MR没有缺省值，因此模式寄存器MR必须在上电或者复位后被完全初始化，

     这样才能使得DDR可以正常工作。正常工作模式下，MR也可以被重新写入。模式寄存器的设置命令周期，

        tMRD两次操作的最小时间，其具体时序图，如下图所示。模式寄存器，分为MR0、MR1、MR2和MR4。

    MR0用来存储DDR3的不同操作模式的数据：包括突发长度、读取突发种类、CAS长度、测试模式、DLL复位等。

    MR1用来存储是否使能DLL、输出驱动长度、Rtt_Nom、额外长度、写电平使能等。MR2用来存储控制更新的特性，

    Rtt_WR阻抗，和CAS写长度。MR3用来控制MPR。

MPR: Multi-purpose register. 多用途寄存器。MPR的功能是读出一个预先设定的系统时序校准比特序列。

     为了使能MPR功能，需要在MRS的寄存器MR3的A2位写1，并且在此之前需要将ddr3的所有bank处于idle状态；

     一旦MPR被使能后，任何RD和RDA的命令都会被引入到MPR寄存器中，当MPR寄存器被使能后，

     除非MPR被禁止（MR3的A2=0），否则就只有RD和RDA被允许。在MPR被使能的时候，RESET功能是被允许的。

Precharge Power Down: bank在in-progress命令后关闭

Active Power Down:bank在in-progress命令后依然打开

Idle：所有的bank必须预先充电，所有时序满足，DRAM的ODT电阻，RTT必须为高阻。

  CWL:CAS write latency. 以时钟周期为单位，在内部写命令和第一位输入数据的时间延时，该单位始终为整数。

        在操作过程中，所有的写延时WL被定义为AL（Additive Latency）+CWL。

Rtt: Dynamic ODT.DDR3引入的新特性。在特定的应用环境下为了更好的在数据总线上改善信号完整性，

       不需要特定的MRS命令即可以改变终结强度（或者称为终端匹配）。在MR2中的A9和A10位设置了Rtt_WR。Ddr3中，

       有两种RTT值是可以选择的，一种是RTT_Nom,另一种是RTT_WR;Rtt_Nom是在没有写命令的时候被选择的，

       当有了写命令后，ODT就会变成Rtt_wr，当写命令结束后，又会回到Rtt_nom。也就是说，RTT在ODT使能后，出现，

       当总线上没有数据的时候，采用的RTT值为RTT_nom;而当总线上有了数据后，要求此时的ODT的值为Rtt_wr。

       具体的DDR3的ODT产生时序见图2。当ODT被使能后，必须要保持高电平ODTH4个时钟周期才可以有效；

       如果写命令被放入寄存器并且ODT是高，那么ODT必须保持ODTH4或者ODTH8，这样ODT才可以有效。

ACT = ACTIVATE                        PREA = PRECHARGE ALL                           SRX = 自刷新推出

MPR = 多用处寄存器                 READ = RD，RDS4，RDS8                        WRITE=WR，WRS4，WRS8

MRS=模式寄存器集                   READ AP=RDAP,RDAPS4,RDAPS8               WRITE=WRAP,WRAPS4,WRAPS8

PDE=掉电进入                           REF=REFRESH                                           ZQCL=ZQ LONG CALIBRATION

PDX=掉电推出                           RESET=启动复位过程                                ZACS=ZA SHORT CALIBTATION

PRE=预充电                               SRE=自刷新进入

4、工作原理

在描述了上述的一些基本概念后，就可以对图1中的DDR3工作原理进行基本的描述了理解了。

首先，芯片进入上电，在上电最小为200us的平稳电平后，等待500usCKE使能，

在这段时间芯片内部开始状态初始化，该过程与外部时钟无关。在时钟使能信号前（cke），

必须保持最小10ns或者5个时钟周期，除此之外，还需要一个NOP命令或者Deselect命令出现在CKE的前面。

然后DDR3开始了ODT的过程，在复位和CKE有效之前，ODT始终为高阻。

在CKE为高后，等待tXPR(最小复位CKE时间)，然后开始从MRS中读取模式寄存器。

然后加载MR2、MR3的寄存器，来配置应用设置；然后使能DLL，并且对DLL复位。

接着便是启动ZQCL命令，来开始ZQ校准过程。等待校准结束后，DDR3就进入了可以正常操作的状态。

对于基本的配置过程，现在就可以结束了。下面，结合CH1的控制器FPGA,说明对DDR3相关的配置。

上表中MRS可以设置Mode寄存器值

5. 基本功能

      DDR3 SDRAM是高速动态随机存取存储器，内部配置有8个BANK。DDR3 SDRAM使用8n预取结构，以获得高速操作。8n预取结构同接口组合起来以完成在I/O脚上每个时钟两个数据字的传输。DDR3  SDRAM的一个单次读或写操作由两部分组成：一是在内部DRAM核中进行的8n位宽四个时钟数据传输，另一个是在I/O脚上进行的两个对应n位宽、半时钟周期的数据传输。

       对DDR3 SDRAM的读写操作是有方向性的突发操作，从一个选择的位置开始，突发长度是8或者是一个以编程序列的长度为4的Chopped突发方式。操作开始于Active命令，随后是一个Read/Write命令。Active命令同时并发含带地址位，以选择Bank和Row地址（BA0-BA2选择BANK、A0-A15选择Row）。而Read/Write命令并发含带突发操作的起始Column地址，并确定是否发布自动预充电命令（通过A10）和选择BC4或BL8模式（通过A12）（如果模式寄存器使能）。

        在正常操作之前，DDR3 SDRAM必要以预先定义的方式上电和初始化。

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