内存的基本原理

MemoryBasicConceptandMajorFeatureByKevinGuo2008-10Agenda•1、名词缩写与Memory基本概念-2•-1.1、名词缩写-4•-1.2、Memory模组厂商-6•-1.3、MemoryModuleInformation-7•-1.4、芯片位宽&P-Bank、L-Bank、存储单元&存储体-8•-1.5、模组的容量，芯片的容量，存储单元数量，存储体-14•-1.6、Page(页)-15•-1.7、内存芯片的引脚定义-16•-1.8、RegisterDIMM-17•2、SDRSDRAM读写操作与内部时序-18•-2.1、SDRAM内部结构图-18•-2.2、芯片初始化-19•-2.3、行有效(RowActive)-21•-2.4、列读写-22•-2.5、SDRAM基本操作命令-23•-2.6、tRCD-24•-2.7、数据输出(读操作)-25•-2.8、数据输入(写操作)-27•-2.9、BurstLength(突发长度)-28•-2.10、Precharge(预充电)-33•-2.11、tWR(写回延迟)-36•-2.12、Refresh(刷新)-37•-2.13、DQM(数据掩码)-40•-2.14、SDRAM的结构、时序与性能的关系-42•3、DDR技术特点-49•-3.1、DDRSDRAM的内部结构图-50•-3.2、差分时钟-53•-3.3、数据选取脉冲(DQS)-54•-3.4、写入延迟tDQSS-55•-3.5、突发长度与写入掩码-59•-3.6、延迟锁定回路(DLL)-60•-3.7、PowerDownMode-64•4、DDR2技术特点-65•-4.1、片外驱动调校OCD-68•-4.2、片内终结ODT-69•-4.3、PostedCAS、AL、WL-74•-4.4、DDR2SpeedBin-77•5、DDR3技术特点-78•-5.1、DDR3BurstLength-81•-5.2、DDR3BasicLatency-83•-5.3、DDR3SpeedBin-84•-5.4、DynamicODTfunction-87•-5.5、MPRFeature-89•-5.6、On-DieImpedanceCalibrationEngine-91•-5.7、刷新特性-92•-5.8、WriteLeveling-93•6、GraphicsDRAM-97•-6.1、DRAMI/OComparison-99•-6.2、GDDR5CK/CK#runas¼datarate-102•-6.3、GDDR5Interface-103•-6.4、GDDR5DataBusInversion(DBI)-104•-6.5、GDDR5ABI&Addressing-105•-6.6、GDDR5ErrorDetectionandCorrection(EDC)-107•-6.7、GDDR5FeatureSummary-108•7、ReferenceDocumentsandInformation-1091.1、名词缩写•RAM:RandomAccessMemory，随机存贮器，它分成两种StaticRAM(静态随机存贮器)和DynamicRAM(动态随机存贮器)；•SRAM:StaticRAM，所谓静态的意义是指内存资料可以常驻而不须随时存取。因为该特性，静态随机处理内存通常被用来做高速缓存，通常比一般的DRAM处理速度更快更稳定而且更省电；•DRAM:DynamicRAM，通常是计算机内的主存储器，它是而用电容来做储存动作，但因电容本身有漏电问题，所以存储的资料必须在规定的时间间隔内被刷新(重写)；•SDRAM:SynchronousDRAM，一种新的DRAM架构的技术；它运用晶片内的clock使输入及输出能同步进行。所谓clock同步是指记忆体时脉与CPU的时脉能同步存取资料。SDRAM节省执行指令及数据传输的时间，故可提升计算机的效率；•DDRSDRAM:DoubleDataRateDRAM，由于DDR在时钟的上升及下降的边缘都可以传输资料，从而使得实际带宽增加一倍，大幅提升了其性价比；•SIMM:SingleIn-lineMemoryModule；•DIMM:DualIn-lineMemoryModule；•RIMM:RambusInterfaceMemoryModule；•Un-bufferedDIMM:无缓冲型模组，台式机中所使用的DIMM，分有ECC(ErrorCheckingandCorrecting,错误检查与纠正)和无ECC两种，简称Unb-DIMM；•SO-DIMM:SmallOutlineDIMM，小外型DIMM，笔记本电脑中所使用的DIMM，分ECC和无ECC两种，DDR-Ⅱ时代仅有无ECC的型号；•Micro-DIMM:微型DIMM，供小型笔记本电脑或手持式设备使用的DIMM；•RegisteredDIMM:寄存型模组，这是高端服务器所使用的DIMM，分有ECC和无ECC两种，简称Reg-DIMM；•Mini-DIMM:DDR-Ⅱ时代新出现的模组类型，它是RegisteredDIMM的缩小版本，用于刀片式服务器等对体积要求苛刻的高端领域；•SPD:SerialPresenceDetect，物理上对应于一个256字节的EEPROM，存储着关于内存模组的配置信息，如P-Bank数量，电压，行地址/列地址数量，位宽，各种主要操作时序(如tRCD，CL，tPR等)。SPD的信息由模组生产商写入，主要用途就是协助controller精确调整内存的物理/时序参数，以达到昀佳的使用效果。在开机时，系统透过SMBusaccessSPD，controller会根据SPD中的参数信息来自动配置相应的内存时序与控制寄存器，避免人为出现调校错误而引起故障。1.2、Memory模组厂商:•Samsung(三星)Micron(美光)•Hynix(现代)Qimonda(奇梦达)•Kingston(金士顿)Nanya(南亚)•Elpida(尔必达)ProMos(台湾茂德)•PSC(力晶)AData(威刚)•Transcend(创见)PQI(劲永内存)•APACER(宇瞻)Geil(金邦)•KINGSTEK(金士泰)Kingmax(胜创)•Kingbox(黑金刚)Leadram(超胜)•Infineon(英飞凌)Aeneon(亿能)•Ramos(蓝魔)Hisny(海士力)•KINGCON(金士刚)V-DATA(万紫千红)1.3、MemoryModuleInformationPC-2700-2.5-3-32GB2Rx8PC2-6400S-666-12DDRDDR22700means2700MB/sec，meaningthetransferspeedratingofthemodule；Calculatedas:Databitspertransfer×ICDeviceDataRatePCxxxx=64b×333MHz=21312Mb/sec=2664MB/sec--PC2700CL-TRCD-TRPCASLatencyRAStoCASDelayPrechargeTime容量Rank数量位宽tRAS：Rowactivemaintaintimemin1.4、芯片位宽&P-Bank•CPU在一个传输周期能接受的数据量就是CPU数据总线的位宽，单位是bit；内存芯片也有自己的位宽，即芯片每个传输周期能提供的数据量，常见为4bit、8bit、16bit。•芯片位宽、芯片数量与P-Bank的关系：为了组成CPU数据总线的位宽，需要多颗芯片并联工作，对于8bit芯片，需要8颗并联才能工作(8×8bit=64bit),这8颗芯片并联在一起称之为物理Bank(PhysicalBank，简称P-Bank，也成为Rank)。LogicalBank•SDRAM的内部是一个如同表格一样的存储阵列，和表格的检索原理一样，先指定一个行(Row)，再指定一个列(Column)，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,这个表格(存储阵列)就是逻辑Bank(LogicalBank，简称L-Bank)。•由于技术、成本等原因，不可能只做一个全容量的L-Bank，而且重要的是，由于SDRAM的工作原理限制，单一的L-Bank将会造成严重的寻址冲突，大幅降低内存效率。所以人们在SDRAM内部分割成多个L-Bank(SDRSDRAM是2/4个，DDRSDRAM都是4个，DDR2的L-Bank的数量则为4/8个)。P-Bank&L-Bank存储单元&存储体•L-Bank中的存储单元是基本的存储单位，它的容量是若干bit，对应芯片的位宽，而每个bit则是存放于单独的存储体中，存储体是内存中昀小的存储单位；•DRAM的存储原理示意图如下：行选与列选信号将使存储电容与外界的传输电路(DQ)导通，从而可以进行放电(读取)与充电(写入)。图中刷新放大器的功能目前被并入读出放大器(SenseAmplifier，简称S-AMP)：1.5、模组的容量，芯片的容量，存储单元数量，存储体•模组的容量:模组上所有芯片的容量之和•芯片的容量:模组上每颗芯片的容量•存储单元数量:存储“表格”中的单元数量•存储体:内存中昀小的存储单位，每个存储体对应一个bit•模组的容量=芯片的容量×芯片个数•芯片的容量=存储单元数量×芯片位宽•存储单元数量=行数×列数×L-Bank的数量•很多内存产品的文档中，都会用M×W的方式来表示说是芯片的规格/组织结构。M是该芯片中存储单元的总数，单位是兆，W代表每个存储单元的容量，也就是SDRAM芯片的位宽（Width），单位是bit。计算出来的芯片容量也是以bit为单位。比如8M×8，这是一个8bit位宽芯片，有8M个存储单元，总容量是64Mbit（8MB）•业界正规的内存芯片容量表示方法如下图所示，这三个规格的容量都是128Mbits，只是由于位宽的变化引起了存储单元的数量变化1.6、page(页)•内存系统的每次传输都是以一个P-Bank位宽为单位的，这需要多颗芯片集体协同工作。在每次寻址时，P-Bank内每个芯片所得到的L-Bank地址与行地址都是相同的。广义上的页是指P-Bank范围内所有芯片同一L-Bank里同一行所包含的存储体之和/8bit。•针对芯片的狭义上的页：每颗芯片内同一L-Bank里同一行所包含的存储体之和/8bit。SDRAM中关于芯片的页定义：thenumberofbytesofdatadeliveredfromthearraytotheinternalsenseamplifierswhenanACTIVEcommandisregistered.Pagesizeisperbank,calculatedasfollows:pagesize=2【COLBITS】×ORG/8whereCOLBITS=thenumberofcolumnaddressbitsORG=thenumberofI/O(DQ)bits•广义上的页=L-Bank中一行的存储单元数×芯片位宽×组成P-Bank所需的芯片数/8bit=L-Bank中一行的存储单元数×64/8bit狭义上的页=L-Bank中一行的存储单元数×芯片位宽/8bit1.7、内存芯片的引脚定义DQS(DataStrobe):DDR时代以后才有，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；DQS信号线是双向的，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，它就是数据的同步信号。DQM(DataMask):DQM和数据信号同时发出，接收方在DQS的上升与下降沿来判断DQM的状态，如果DQM为高电平，那么之前从DQS中部选取的数据就被屏蔽了。1.8、RegisteredDIMM•RegisteredDIMM:寄存型内存模组，简称Reg-DIMM。•在高容量模组上，内存芯片数量