DDR系列基础知识讲解.

DDR系列基础知识讲解目录•DDR的种类•DDR的发展•名词解析•DDR特性分析•图形解析•DDR性能比较•DDR3基础知识讲解•DDR未来展望2011-7-18DDR的种类DDRSDRAM：DoubleDataRateSynchronousDynamicRandomAccessMemory，双倍数据率同步动态随机存取存储器；DDR2SDRAM：Double-Data-RateTwoSynchronousDynamicRandomAccessMemory，第二代双倍数据率同步动态随机存取存储器；DDR3SDRAM：Double-Data-RateThreeSynchronousDynamicRandomAccessMemory，第三代双倍数据率同步动态随机存取存储器；DDR4SDRAM：Double-Data-RateFourthSynchronousDynamicRandomAccessMemory，第四代双倍数据率同步动态随机存取存储器。2011-7-18DDR的发展三星公司制造出DDR系列的时间1997年DDR2001年DDR22005年DDR32011年DDR4DDR的发展SDRAMDDR的发展•DDRDDR的发展•DDR2DDR的发展•DDR3DDR的发展•DDR4DDR的发展DDRSDRAM可在一个时钟周期内传送两次数据DDR的发展内存核心频率与数据传输率的比较DDR的发展DDR数据传输速度为系统钟频率的两倍，能在选通脉冲的上升沿和下降沿传输数据DDR芯片和模块标准名称I/O总线时钟频率(MHz)周期（ns）存储器时钟频率(MHz)数据速率(MT/s)传输方式模块名称极限传输率(MIB/S)DDR-20010010100200并行传输PC-16001600DDR-2661337.5133266并行传输PC-21002100DDR-3331666166333并行传输PC-27002700DDR-4002005200400并行传输PC-32003200DDR的发展DDR2的数据传输速度为系统时钟频率的四倍DDR2芯片和模块标准名称I/O总线时钟频率(MHz)周期(ns)存储器时钟频率(MHz)数据速率(MT/s)传输方式模块名称极限传输率(GIB/S)比特宽(bit)DDR2-40020010100400并行传输PC2-32003.264DDR2-5332667.5133533并行传输PC2-4200PC2-43004.364DDR2-6673336166667并行传输PC2-5300PC2-54005.364DDR2-8004005200800并行传输PC2-64006.464DDR2-10665333.752661066并行传输PC2-85008.564DDR的发展DDR3的数据传输速度为系统时钟频率的8倍DDR3芯片和模块标准名称I/O总线时钟频率(MHz)周期(ns)存储器时钟频率(MHz)数据速率(MT/s)传输方式模块名称极限传输率(GIB/S)比特宽(bit)DDR3-80040010100800并行传输PC3-64006.464DDR3-106653315/21331066并行传输PC3-85008.564DDR3-133366761661333并行传输PC3-1060010.664DDR3-160080052001600并行传输PC3-1280012.864DDR3-186693330/72331866并行传输PC3-1490014.964DDR3-2133106615/42662133并行传输PC3-1700017.064DDR的发展Samsung-DDR数据传输速率与供电电压的走势DDR的发展Samsung-DDR的带宽与数据传输率上升轨迹名词解析RAS：RowAddressStrobe，行地址选通脉冲；CAS：ColumnAddressStrobe，列地址选通脉冲；tRCD：RAStoCASDelay，RAS至CAS延迟；CL：CASLatency，CAS潜伏期（又称读取潜伏期），从CAS与读取命令发出到第一笔数据输出的时间段；RL：ReadLatency,读取潜伏期；tAC：AccessTimefromCLK,时钟触发后的访问时间，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到数据传到I/O总线上止的这段时间；2011-7-18名词解析tWR：WriteRecoveryTime,写回，保证数据的可靠写入而留出足够的写入/校正时间，被用来表明对同一个bank的最后有效操作到预充电命令之间的时间量；BL：BurstLengths,突发长度，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，连续传输所涉及到存储单元（列）的数量就是突发长度(SDRAM)，在DDRSDRAM中指连续传输的周期数；Precharge：L-Bank关闭现有工作行，准备打开新行的操作；tRP：Prechargecommandperiod，预充电有效周期，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；名词解析AL：AdditiveLatency，附加潜伏期（DDR2）；WL：WriteLatency，写入命令发出到第一笔数据输入的潜伏期；tRAS:ActivetoPrechargeCommand，行有效至预充电命令间隔周期；tDQSS：WRITECommandtothefirstcorrespondingrisingedgeofDQS，DQS相对于写入命令的延迟时间；名词解析逻辑BankSDRAM的内部是一个存储阵列，要想准确地找到所需的存储单元就先指定一个（row）,再指定一个列（Column）,这就是内存芯片寻址的基本原理。L-Bank存储阵列示意图名词解析芯片位宽SDRAM内存芯片一次传输率的数据量就是芯片位宽，那么这个存储单元的容量就是芯片的位宽（也是L-Bank的位宽）；存储单元数量=行数*列数（得到一个L-Bank的存储单元数量）*L-Bank的数量也可用M*W的方式表示芯片的容量，M是该芯片中存储单元的总数，单位是兆（英文简写M，精确值是1048576），W代表每个存储单元的容量，也就是SDRAM芯片的位宽，单位是bit；DDRSDRAM内部存储单元容量是芯片位宽（芯片I/O口位宽）的一倍；DDR2SDRAM内部存储单元容量是芯片位宽的四倍；DDR3SDRAM内部存储单元容量是芯片位宽的八倍；DDR4SDRAM内部存储单元容量是芯片位宽的八倍。特性分析存储原理存储原理示意图：行选与列选信号将使存储电容与外界间的传输电路导通，从而可进行放电（读取）与充电（写入）。另外，图中刷新放大器的设计并不固定，目前这一功能被并入读出放大器（SenseAmplifier,简称S-AMP）；特性分析•DDR•延迟锁定回路（DLL）的任务是根据外部时钟动态修正内部时钟的延迟来实现与外部时钟的同步；•DLL有时钟频率测量法（CFM，ClockFrequencyMeasurement）和时钟比较法（CC，ClockComparator）；•CFM是测量外部时钟的频率周期，然后以此周期为延迟值控制内部时钟，这样内外时钟正好就相差一个时钟周期，从而实现同步。DLL就这样反复测量反复控制延迟值，使内部时钟与外部时钟保持同步。CFM式DLL工作示意图特性分析•DDR•CC的方法则是比较内外部时钟的长短，如果内部时钟周期短了，就将所少的延迟加到下一个内部时钟周期，然后再与外部时钟做比较，若是内部时钟周期长了，就将多出的延迟从下一个内部时钟刨除，如此往复，最终使内外时钟同步。CC式DLL工作示意图特性分析•CFM与CC各有优缺点，CFM的校正速度快，仅用两个时钟周期，但容易受到噪音干扰，如果测量失误，则内部的延迟就永远错下去。CC的优点则是更稳定可靠，如果比较失败，延迟受影响的只是一个数据，不会涉及到后面的延迟修正，但它的修正时间要比CFM长。特性分析CK#起到触发时钟校准的作用，由于数据是在CK的上下沿触发，造成传输周期缩短了一半，因此必须要保证传输周期的稳定以确保数据的正确传输，这就要求CK的上下沿间距要有精确的控制。但因为温度、电阻性能的改变等原因，CK上下沿间距可能发生变化，此时预期相反的CK#就起到纠正的作用（CK上升快下降慢，CK#则是上升慢下降快）。特性分析在写入时，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，DQS是双向信号，读内存时，由内存产生DQS的沿和数据的沿对齐，写入内存时，由外部产生，DQS的中间对应数据的沿，即此时DQS的沿对应数据最稳定的中间时刻；图形解析•SDRAMSDRAM在开机时的初始化过程图形解析•SDRAM行有效时序图图形解析•SDRAM读写操作示意图，读取命令与列地址一块发出（当WE#为低电平是即为写命令）图形解析•SDRAM非突发连续读取模式：不采用突发传输而是依次单独寻址，此时可等效于BL=1，虽然可以让数据是连续的传输，但每次都要发送列地址与命令信息，控制资源占用极大图形解析•SDRAM突发连续读取模式：只要指定起始列地址与突发长度，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图形解析•SDRAM读取时预充电时序图：图中设定：CL=2、BL=4、tRP=2。自动预充电时的开始时间与此图一样，只是没有了单独的预充电命令，并在发出读取命令时，A10地址线要设为高电平（允许自动预充电）。可见控制好预充电启动时间很重要，它可以在读取操作结束后立刻进入新行的寻址，保证运行效率。图形解析•SDRAM读取时数据掩码操作，DQM在两个周期后生效，突发周期的第二笔数据被取消图形解析•SDRAM写入时数据掩码操作，DQM立即生效，突发周期的第二笔数据被取消性能比较•DDR2与DDR的区别•1.速率与预取量•DDR2的实际工作频率是DDR的两倍，DDR2内存拥有两倍于标准DDR内存的4bit预期能力。•2.封装与电压•DDR封装为TSOPII，DDR2封装为FBGA；•DDR的标准电压为2.5V，DDR2的标准电压为1.8V。•3.bitpre-fetch•DDR为2bitpre-fetch,DDR2为4bitpre-fetch。•4.新技术的引进•DDR2引入了OCD、ODT和POST（1）ODT：ODT是内建核心的终结电阻，它的功能是让DQS、RDQS、DQ和DM信号在终结电阻处消耗完，防止这些信号在电路上形成反射；性能比较•DDR2与DDR的区别（2）PostCAS：它是为了提高DDR2内存的利用效率而设定的；在没有前置CAS功能时，对其他L-Bank的寻址操作可能会因当前行的CAS命令占用地址线而延后，并使数据I/O总线出现空闲，当使用前置CAS后，消除了命令冲突并使数据I/O总线的利率提高。性能比较•DDR2与DDR的区别•（3）OCD（Off-ChipDriver）：离线驱动调整，DDR2通过OCD可以提高信号的完整性•OCD的作用在于调整DQS与DQ之间的同步，以确保信号的完整与可靠性，OCD的主要用意在于调整I/O接口端的电压，来补偿上拉与下拉电阻值，目的是让DQS与DQ数据信号间的偏差降低到最小。调校期间，分别测试DQS高电平和DQ高电平，与DQS低电平和DQ高电平时的同步情况，如果不满足要求，则通过设定突发长度的地址线来传送上拉/下拉电阻等级，直到测试合格才退出OCD操作。性能比较•DDR3与DDR2的区别1.DDR2为1.8V，DDR3为1.5V；2.DDR3采用CSP和FBGA封装，8bit芯片采用78球FBGA封装，16bit芯片采用96球FBGA封装，而DDR2则有60/68/84球FBGA封装三种规格；3.逻辑Bank数量，DDR2有4Bank和8Bank，而DDR3的起始Bank8个；4.突发长度，由于DDR3的预期为8bit,所以突发传输周期（BL，BurstLength）也固定位8，而对于DDR2和早期的DDR架构