Exynos4412裸机程序之DDR工作原理与时序(三)

Tiny4412所用的芯片是DDR3，虽然和前面介绍的Tiny4412裸机程序之DDR工作原理与时序(二) 很多原理是一致的，这里还是就DDR3再详细的介绍一下，这一节的内容也基本来自于网络。

一、内存工作流程

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，如下图所示。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。

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）。

CL和tAC示意图

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

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。

tRP示意图

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。

二、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。

DQS时序示意图

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

三、容量的计算

1、结构框图

DDR3内部功能方块图

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。

2、管脚功能描述

DDR3引脚说明

3、状态图

DDR状态转换图

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。

DDR3 时间设置说明

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。

write leveling功能实现说明图

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10-9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。

tMRD时序图

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10-10。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。

odt

rtt

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。

DDR3命令表

上表中MRS可以设置Mode寄存器值

Mode寄存器值设置说明图

设置时序图

以上图为例，CS#，RAS#，CAS#，WE#为L，L，H，H。则指令为Row/Bank Active；随后CS#拉高，command无效，在第4个时钟周期这4个信号变为L，H，L，H，对照表格，指令为Read，经过几个时钟周期延迟，在3CLK后读数据。

5、 DDR3其他相关资料

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。

DDR3内存的发展

早在2002年6月28日，JEDEC就宣布开始开发DDR3内存标准，半导体市场调查机构iSuppli预测DDR3内存将会在2008年替代DDR2成为市场上的主流产品，iSuppli认为在那个时候DDR3的市场份额将达到55%。不过，就具体的设计来看，DDR3与DDR2的基础架构并没有本质的不同。从某种角度讲，DDR3是为了解决DDR2发展所面临的限制而催生的产物。

由于DDR2内存的各种不足，制约了其进一步的广泛应用，DDR3内存的出现，正是为了解决DDR2内存出现的问题，具体有：

更高的外部数据传输率

更先进的地址/命令与控制总线的拓朴架构

在保证性能的同时将能耗进一步降低

为了满足这些要求，DDR3内存在DDR2内存的基础上所做的主要改进包括：

8bit预取设计，DDR2为4bit预取，这样DRAM内核的频率只有接口频率的1/8，DDR3-800的核心工作频率只有100MHz。

采用点对点的拓朴架构，减轻地址/命令与控制总线的负担。

采用100nm以下的生产工艺，将工作电压从1.8V降至1.5V，增加异步重置（Reset）与ZQ校准功能。

DDR3内存的封装

从规格来看，DDR3仍将沿用FBGA封装方式，故在生产上与DDR2内存区别不大。但是由设计的角度上来看，因DDR3的起跳工作频率在1066MHz，这在电路布局上将是一大挑战，特别是电磁干扰，因此也将反映到PCB上增加模块的成本。

预计在DDR3进入市场初期，其价格将是一大阻碍，而随着逐步的普及，产量的提升才能进一步降低成本。

DDR3内存的技术改进

那么，从技术看，DDR3内存与目前主流的DDR2内存相比，其特点体现在哪些方面呢？我们首先介绍DDR3内存针对DDR2中存在的不足的改进

逻辑Bank数量

DDR2 SDRAM中有4Bank和8Bank的设计，目的就是为了应对未来大容量芯片的需求。而DDR3很可能将从2Gb容量起步，因此起始的逻辑Bank就是8个，另外还为未来的16个逻辑Bank做好了准备。

封装（Packages）

DDR3由于新增了一些功能，所以在引脚方面会有所增加，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。并且DDR3必须是绿色封装，不能含有任何有害物质。

突发长度（BL，Burst Length）

由于DDR3的预取为8bit，所以突发传输周期（BL，Burst Length）也固定为8，而对于DDR2和早期的DDR架构的系统，BL=4也是常用的，DDR3为此增加了一个4-bit Burst Chop（突发突变）模式，即由一个BL=4的读取操作加上一个BL=4的写入操作来合成一个BL=8的数据突发传输，届时可通过A12地址线来控制这一突发模式。而且需要指出的是，任何突发中断操作都将在DDR3内存中予以禁止，且不予支持，取而代之的是更灵活的突发传输控制（如4bit顺序突发）。

寻址时序（Timing）

就像DDR2从DDR转变而来后延迟周期数增加一样，DDR3的CL周期也将比DDR2有所提高。DDR2的CL范围一般在2至5之间，而DDR3则在5至11之间，且附加延迟（AL）的设计也有所变化。DDR2时AL的范围是0至4，而DDR3时AL有三种选项，分别是0、CL-1和CL-2。另外，DDR3还新增加了一个时序参数——写入延迟（CWD），这一参数将根据具体的工作频率而定。

DDR3内存的新增功能

如果上一部分介绍的DDR3内存对DDR2内存的改进更多的是某种程度上的修正或简单提高的话，DDR3内存还有部分DDR2内存所不具备的功能，正是这些，让DDR3内存的表现有了根本性的提高

重置（Reset）

重置是DDR3新增的一项重要功能，并为此专门准备了一个引脚。DRAM业界已经很早以前就要求增这一功能，如今终于在DDR3身上实现。这一引脚将使DDR3的初始化处理变得简单。当Reset命令有效时，DDR3内存将停止所有的操作，并切换至最少量活动的状态，以节约电力。在Reset期间，DDR3内存将关闭内在的大部分功能，所以有数据接收与发送器都将关闭。所有内部的程序装置将复位，DLL（延迟锁相环路）与时钟电路将停止工作，而且不理睬数据总线上的任何动静。这样一来，将使DDR3达到最节省电力的目的。

ZQ校准

ZQ也是一个新增的脚，在这个引脚上接有一个240欧姆的低公差参考电阻。这个引脚通过一个命令集，通过片上校准引擎（ODCE，On-Die Calibration  Engine）来自动校验数据输出驱动器导通电阻与ODT的终结电阻值。当系统发出这一指令之后，将用相应的时钟周期（在加电与初始化之后用512个时钟周期，在退出自刷新操作后用256时钟周期、在其他情况下用64个时钟周期）对导通电阻和ODT电阻进行重新校准。

参考电压分成两个

对于内存系统工作非常重要的参考电压信号VREF，在DDR3系统中将分为两个信号。一个是为命令与地址信号服务的VREFCA，另一为数据总线服务的VREFDQ，它将有效的提高系统数据总线的信噪等级。

根据温度自动自刷新（SRT，Self-Refresh Temperature）

为了保证所保存的数据不丢失，DRAM必须定时进行刷新，DDR3也不例外。不过，为了最大的节省电力，DDR3采用了一种新型的自动自刷新设计（ASR，Automatic Self-Refresh）。当开始ASR之后，将通过一个内置于DRAM芯片的温度传感器来控制刷新的频率，因为刷新频率高的话，耗电就大，温度也随之升高。而温度传感器则在保证数据不丢失的情况下，尽量减少刷新频率，降低工作温度。不过DDR3的ASR是可选设计，并不见得市场上的DDR3内存都支持这一功能，因此还有一个附加的功能就是自刷新温度范围（SRT，Self-Refresh  Temperature）。通过模式寄存器，可以选择两个温度范围，一个是普通的的温度范围（例如0℃至85℃），另一个是扩展温度范围，比如最高到 95℃。对于DRAM内部设定的这两种温度范围，DRAM将以恒定的频率和电流进行刷新操作。

局部自刷新（RASR，Partial Array Self-Refresh）

这是DDR3的一个可选项，通过这一功能，DDR3内存芯片可以只刷新部分逻辑Bank，而不是全部刷新，从而最大限度的减少因自刷新产生的电力消耗。这一点与移动型内存（Mobile DRAM）的设计很相似。

点对点连接（P2P，Point-to-Point）

这是为了提高系统性能而进行了重要改动，也是与DDR2系统的一个关键区别。在DDR3系统中，一个内存控制器将只与一个内存通道打交道，而且这个内存通道只能一个插槽。因此内存控制器与DDR3内存模组之间是点对点（P2P，Point-to-Point）的关系（单物理Bank的模组），或者是点对双点（P22P，Point-to-two-Point）的关系（双物理Bank的模组），从而大大减轻了地址/命令/控制与数据总线的负载。而在内存模组方面，与DDR2的类别相类似，也有标准DIMM（台式PC）、SO-DIMM/Micro-DIMM（笔记本电脑）、FB-DIMM2（服务器）之分，其中第二代FB-DIMM将采用规格更高的AMB2（高级内存缓冲器）。不过目前有关DDR3内存模组的标准制定工作刚开始，引脚设计还没有最终确定。

此外，DDR3还在功耗管理，多用途寄存器方面有不少新的设计。