SDRAM簡(jiǎn)介

　　SDRAM:Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，同步是指內(nèi)存工作需要同步時(shí)鐘，內(nèi)部的命令的發(fā)送與數(shù)據(jù)的傳輸都以它為基準(zhǔn)；動(dòng)態(tài)是指存儲(chǔ)陣列需要不斷的刷新來(lái)保證數(shù)據(jù)不丟失；隨機(jī)是指數(shù)據(jù)不是線(xiàn)性依次存儲(chǔ)，而是自由指定地址進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。

SDRAM百科

　　SDRAM:Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，同步是指內(nèi)存工作需要同步時(shí)鐘，內(nèi)部的命令的發(fā)送與數(shù)據(jù)的傳輸都以它為基準(zhǔn)；動(dòng)態(tài)是指存儲(chǔ)陣列需要不斷的刷新來(lái)保證數(shù)據(jù)不丟失；隨機(jī)是指數(shù)據(jù)不是線(xiàn)性依次存儲(chǔ)，而是自由指定地址進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。

　　演變

　　SDRAM從發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)歷了五代，分別是：第一代SDR SDRAM，第二代DDR SDRAM，第三代DDR2 SDRAM，第四代DDR3 SDRAM，第五代，DDR4 SDRAM。

　　第一代SDRAM采用單端（Single-Ended）時(shí)鐘信號(hào)，第二代、第三代與第四代由于工作頻率比較快，所以采用可降低干擾的差分時(shí)鐘信號(hào)作為同步時(shí)鐘。

　　SDR SDRAM的時(shí)鐘頻率就是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的頻率，第一代內(nèi)存用時(shí)鐘頻率命名，如pc100，pc133則表明時(shí)鐘信號(hào)為100或133MHz，數(shù)據(jù)讀寫(xiě)速率也為100或133MHz。

　　之后的第二，三，四代DDR（Double Data Rate）內(nèi)存則采用數(shù)據(jù)讀寫(xiě)速率作為命名標(biāo)準(zhǔn)，并且在前面加上表示其DDR代數(shù)的符號(hào)，PC-即DDR，PC2=DDR2，PC3=DDR3。如PC2700是DDR333，其工作頻率是333/2=166MHz，2700表示帶寬為2.7G。

　　DDR的讀寫(xiě)頻率從DDR200到DDR400，DDR2從DDR2-400到DDR2-800，DDR3從DDR3-800到DDR3-1600。

　　很多人將SDRAM錯(cuò)誤的理解為第一代也就是 SDR SDRAM，并且作為名詞解釋?zhuān)詫僬`導(dǎo)。

　　SDR不等于SDRAM。

　　Pin：模組或芯片與外部電路連接用的金屬引腳，而模組的pin就是常說(shuō)的“金手指”。

　　SIMM：Single In-line Memory Module，單列內(nèi)存模組。內(nèi)存模組就是我們常說(shuō)的內(nèi)存條，所謂單列是指模組電路板與主板插槽的接口只有一列引腳（雖然兩側(cè)都有金手指）。

　　DIMM：Double In-line Memory Module，雙列內(nèi)存模組。是我們常見(jiàn)的模組類(lèi)型，所謂雙列是指模組電路板與主板插槽的接口有兩列引腳，模組電路板兩側(cè)的金手指對(duì)應(yīng)一列引腳。

　　RIMM：registered DIMM，帶寄存器的雙線(xiàn)內(nèi)存模塊，這種內(nèi)存槽只能插DDR或Rambus內(nèi)存。

　　SO-DIMM：筆記本常用的內(nèi)存模組。

　　工作電壓：

　　SDRAM：3.3V

　　DDR：2.5V

　　DDR2：1.8V

　　DDR3：1.5V

　　DDR4：1.2V

　　SDRSDRAM內(nèi)存條的金手指通常是168線(xiàn)，而DDR SDRAM內(nèi)存條的金手指通常是184線(xiàn)的。

　　幾代產(chǎn)品金手指的缺口數(shù)及缺口位置也不同有效防止反插與錯(cuò)插，SDR SDRAM有兩個(gè)缺口，DDR只有一個(gè)缺口。

　　關(guān)系

　　結(jié)構(gòu)、時(shí)序與性能的關(guān)系一、影響性能的主要時(shí)序參數(shù)所謂的影響性能是并不是指SDRAM的帶寬，頻率與位寬固定后，帶寬也就不可更改了。但這是理想的情況，在內(nèi)存的工作周期內(nèi)，不可能總處于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)，因?yàn)橐忻睢ぶ返缺匾倪^(guò)程。但這些操作占用的時(shí)間越短，內(nèi)存工作的效率越高，性能也就越好。非數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間的主要組成部分就是各種延遲與潛伏期。通過(guò)上文的講述，大家應(yīng)該很明顯看出有三個(gè)參數(shù)對(duì)內(nèi)存的性能影響至關(guān)重要，它們是tRCD、CL和tRP。每條正規(guī)的內(nèi)存模組都會(huì)在標(biāo)識(shí)上注明這三個(gè)參數(shù)值，可見(jiàn)它們對(duì)性能的敏感性。以?xún)?nèi)存最主要的操作——讀取為例。tRCD決定了行尋址（有效）至列尋址（讀/寫(xiě)命令）之間的間隔，CL決定了列尋址到數(shù)據(jù)進(jìn)行真正被讀取所花費(fèi)的時(shí)間，tRP則決定了相同L-Bank中不同工作行轉(zhuǎn)換的速度。現(xiàn)在可以想象一下讀取時(shí)可能遇到的幾種情況（分析寫(xiě)入操作時(shí)不用考慮CL即可）：1．要尋址的行與L-Bank是空閑的。也就是說(shuō)該L-Bank的所有行是關(guān)閉的，此時(shí)可直接發(fā)送行有效命令，數(shù)據(jù)讀取前的總耗時(shí)為tRCD+CL，這種情況我們稱(chēng)之為頁(yè)命中（PH，Page Hit）。2．要尋址的行正好是前一個(gè)操作的工作行，也就是說(shuō)要尋址的行已經(jīng)處于選通有效狀態(tài)，此時(shí)可直接發(fā)送列尋址命令，數(shù)據(jù)讀取前的總耗時(shí)僅為CL，這就是所謂的背靠背（Back to Back）尋址，我們稱(chēng)之為頁(yè)快速命中（PFH，Page Fast Hit）或頁(yè)直接命中（PDH，Page Direct Hit）。3．要尋址的行所在的L-Bank中已經(jīng)有一個(gè)行處于活動(dòng)狀態(tài)（未關(guān)閉），這種現(xiàn)象就被稱(chēng)作尋址沖突，此時(shí)就必須要進(jìn)行預(yù)充電來(lái)關(guān)閉工作行，再對(duì)新行發(fā)送行有效命令。結(jié)果，總耗時(shí)就是tRP+tRCD+CL，這種情況我們稱(chēng)之為頁(yè)錯(cuò)失（PM，Page Miss）。顯然，PFH是最理想的尋址情況，PM則是最糟糕的尋址情況。上述三種情況發(fā)生的機(jī)率各自簡(jiǎn)稱(chēng)為PHR——PH Rate、PFHR——PFH Rate、PMR——PM Rate。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員（包括內(nèi)存與北橋芯片）都盡量想提高PHR與PFHR，同時(shí)減少PMR，以達(dá)到提高內(nèi)存工作效率的目的。二、增加PHR的方法顯然，這與預(yù)充電管理策略有著直接的關(guān)系，目前有兩種方法來(lái)盡量提高PHR。自動(dòng)預(yù)充電技術(shù)就是其中之一，它自動(dòng)的在每次行操作之后進(jìn)行預(yù)充電，從而減少了日后對(duì)同一L-Bank不同行尋址時(shí)發(fā)生沖突的可能性。但是，如果要在當(dāng)前行工作完成后馬上打開(kāi)同一L-Bank的另一行工作時(shí)，仍然存在tRP的延遲。怎么辦？ 此時(shí)就需要L-Bank交錯(cuò)預(yù)充電了。VIA的4路交錯(cuò)式內(nèi)存控制就是在一個(gè)L-Bank工作時(shí)，對(duì)下一個(gè)要工作的L-Bank進(jìn)行預(yù)充電。這樣，預(yù)充電與數(shù)據(jù)的傳輸交錯(cuò)執(zhí)行，當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)下一個(gè)L-Bank時(shí)，tRP已過(guò)，就可以直接進(jìn)入行有效狀態(tài)了。目前VIA聲稱(chēng)可以跨P-Bank進(jìn)行16路內(nèi)存交錯(cuò)，并以L(fǎng)RU算法進(jìn)行預(yù)充電管理。有關(guān)L-Bank交錯(cuò)預(yù)充電（存取）的具體執(zhí)行在本刊2001年第2期已有詳細(xì)介紹，這里就不再重復(fù)了。L-Bank交錯(cuò)自動(dòng)預(yù)充電/讀取時(shí)序圖（可點(diǎn)擊放大）：L-Bank 0與L-Bank 3實(shí)現(xiàn)了無(wú)間隔交錯(cuò)讀取，避免了tRP對(duì)性能的影響。三、增加PFHR的方法無(wú)論是自動(dòng)預(yù)充電還是交錯(cuò)工作的方法都無(wú)法消除tRCD所帶來(lái)的延遲。要解決這個(gè)問(wèn)題，就要盡量讓一個(gè)工作行在進(jìn)行預(yù)充電前盡可能多的接收多個(gè)工作命令，以達(dá)到背靠背的效果，此時(shí)就只剩下CL所造成的讀取延遲了（寫(xiě)入時(shí)沒(méi)有延遲）。如何做到這一點(diǎn)呢？這就是北橋芯片的責(zé)任了。在上文的時(shí)序圖中有一個(gè)參數(shù)tRAS（Active to Precharge Command，行有效至預(yù)充電命令間隔周期）。它有一個(gè)范圍，對(duì)于PC133標(biāo)準(zhǔn)，一般是預(yù)充電命令至少要在行有效命令5個(gè)時(shí)鐘周期之后發(fā)出，最長(zhǎng)間隔視芯片而異（基本在120000ns左右），否則工作行的數(shù)據(jù)將有丟失的危險(xiǎn)。那么這也就意味著一個(gè)工作行從有效（選通）開(kāi)始，可以有120000ns的持續(xù)工作時(shí)間而不用進(jìn)行預(yù)充電。顯然，只要北橋芯片不發(fā)出預(yù)充電（包括允許自動(dòng)預(yù)充電）的命令，行打開(kāi)的狀態(tài)就會(huì)一直保持。在此期間的對(duì)該行的任何讀寫(xiě)操作也就不會(huì)有tRCD的延遲。可見(jiàn)，如果北橋芯片在能同時(shí)打開(kāi)的行（頁(yè)）越多，那么PFHR也就越大。需要強(qiáng)調(diào)的是，這里的同時(shí)打開(kāi)不是指對(duì)多行同時(shí)尋址（那是不可能的），而是指多行同時(shí)處于選通狀態(tài)。我們可以看到一些SDRAM芯片組的資料中會(huì)指出可以同時(shí)打開(kāi)多少個(gè)頁(yè)的指標(biāo)，這可以說(shuō)是決定其內(nèi)存性能的一個(gè)重要因素。Intel 845芯片組MCH的資料：其中表明它可以支持24個(gè)頁(yè)面同時(shí)處于打開(kāi)狀態(tài)但是，可同時(shí)打開(kāi)的頁(yè)數(shù)也是有限制的。從SDRAM的尋址原理講，同一L-Bank中不可能有兩個(gè)打開(kāi)的行（S-AMP只能為一行服務(wù)），這就限制了可同時(shí)打開(kāi)的頁(yè)面總數(shù)。以SDRAM有4個(gè)L-Bank，北橋最多支持8個(gè)P-Bank為例，理論上最多只能有32個(gè)頁(yè)面能同時(shí)處于打開(kāi)的狀態(tài)。而如果只有一個(gè)P-Bank，那么就只剩下4個(gè)頁(yè)面，因?yàn)橛袔讉€(gè)L-Bank才能有同時(shí)打開(kāi)幾個(gè)行而互不干擾。Intel 845的MHC雖然可以支持24個(gè)打開(kāi)的頁(yè)面，那也是指6個(gè)P-Bank的情況下（845MCH只支持6個(gè)P-Bank）。可見(jiàn)845已經(jīng)將同時(shí)打開(kāi)頁(yè)數(shù)發(fā)揮到了極致。不過(guò)，同時(shí)打開(kāi)頁(yè)數(shù)多了，也對(duì)存取策略提出了一定的要求。理論上，要盡量多地使用已打開(kāi)的頁(yè)來(lái)保證最短的延遲周期，只有在數(shù)據(jù)不存在（讀取時(shí)）或頁(yè)存滿(mǎn)了（寫(xiě)入時(shí)）再考慮打開(kāi)新的指定頁(yè)，這也就是變向的連續(xù)讀/寫(xiě)。而打開(kāi)新頁(yè)時(shí)就必須要關(guān)閉一個(gè)打開(kāi)的頁(yè)，如果此時(shí)打開(kāi)的頁(yè)面已是北橋所支持的最大值但還不到理論極限的話(huà)，就需要一個(gè)替換策略，一般都是用LRU算法來(lái)進(jìn)行，這與VIA的交錯(cuò)控制大同小異。

　　SDRAM基礎(chǔ)知識(shí)

　　在學(xué)習(xí)SDRAM之前，必須先了解“SDRAM”這個(gè)概念性的東西，并有感性的認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)變到一種理性的認(rèn)識(shí)，所謂理性的認(rèn)識(shí)就是實(shí)質(zhì)性的東西……。不多說(shuō)，相信你已經(jīng)迫不急待了。那我們就開(kāi)始了。

　　初識(shí)SDRAM

　　SDRAM的全稱(chēng)是：Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，同步是指 Memory工作需要同步時(shí)鐘，內(nèi)部的命令的發(fā)送與數(shù)據(jù)的傳輸都以它為基準(zhǔn)；動(dòng)態(tài)是指存儲(chǔ)陣列需要不斷的刷新來(lái)保證數(shù)據(jù)不丟失；隨機(jī)是指數(shù)據(jù)不是線(xiàn)性依次存儲(chǔ)，而是自由指定地址進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。

　　相信通過(guò)這段話(huà)，你已經(jīng)知道什么是SDRAM了，這里面有幾個(gè)概念性的東西需要我們好好了解：同步、動(dòng)態(tài)、隨機(jī)。

　　同步：這個(gè)詞在FPGA設(shè)計(jì)之中我們經(jīng)常會(huì)遇到它，它反映了驅(qū)動(dòng)sdram必須遵守一種時(shí)序原則，就是數(shù)據(jù)/命令和時(shí)鐘在時(shí)間上同時(shí)的概念，也是在驅(qū)動(dòng)sdram時(shí)要十分注意的一點(diǎn)。

　　動(dòng)態(tài)：RAM這中存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)會(huì)掉電丟失，在上電的時(shí)候也會(huì)丟失。為什么？因?yàn)镾DRAM內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是二進(jìn)制數(shù)據(jù)，非0則1。用來(lái)存儲(chǔ)該二進(jìn)制數(shù)據(jù)的電路是由電容構(gòu)成的，由于電容這種器件會(huì)隨著時(shí)間而慢慢放電，就像人的記憶一樣，有些記憶會(huì)隨著時(shí)間的流逝而淡忘了。很簡(jiǎn)單，如果你不想讓某些事某些人淡忘，怎么辦？就只有時(shí)不時(shí)地去回憶。那SDRAM不想“忘”了它的數(shù)據(jù)，怎么辦，一樣，也只有不斷地回憶，就是不斷地去刷新里面的存儲(chǔ)電路。

　　隨機(jī)：隨機(jī)就是不指定為一次連續(xù)，也就是可以對(duì)SDRAM里面的隨意地址進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

　　SDRAM的歷史

　　SDRAM從發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)歷了四代，分別是：第一代SDR SDRAM，第二代DDR SDRAM，第三代DDR2 SDRAM，第四代DDR3 SDRAM.

　　第一代SDRAM采用單端（Single-Ended）時(shí)鐘信號(hào)，第二代、第三代與第四代由于工作頻率比較快，所以采用可降低干擾的差分時(shí)鐘信號(hào)作為同步時(shí)鐘。

　　SDR SDRAM的時(shí)鐘頻率就是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的頻率，第一代內(nèi)存用時(shí)鐘頻率命名，如pc100，pc133則表明時(shí)鐘信號(hào)為100或133MHz，數(shù)據(jù)讀寫(xiě)速率也為100或133MHz。

　　之后的第二，三，四代DDR（Double Data Rate）內(nèi)存則采用數(shù)據(jù)讀寫(xiě)速率作為命名標(biāo)準(zhǔn)，并且在前面加上表示其DDR代數(shù)的符號(hào)，PC-即DDR，PC2=DDR2，PC3=DDR3。如PC2700是DDR333，其工作頻率是333/2=166MHz，2700表示帶寬為2.7G。

　　DDR的讀寫(xiě)頻率從DDR200到DDR400，DDR2從DDR2-400到DDR2-800，DDR3從DDR3-800到DDR3-1600。

　　實(shí)驗(yàn)中要操作的SDRAM就是第一代SDRAM，雖然SDRAM經(jīng)歷了這么多次的更新?lián)Q代，但其內(nèi)部的架構(gòu)還是相差無(wú)幾，更多的是在速率和存儲(chǔ)數(shù)量上的不同。

　　實(shí)驗(yàn)的SDRAM介紹

　　通過(guò)上面的兩節(jié)，相信你已經(jīng)對(duì)SDRAM已經(jīng)有了大致的了解。現(xiàn)在就以實(shí)驗(yàn)中用到的SDRAM--HY57V641620ET-H（海力士的SDRAM）為一個(gè)例子對(duì)SDRAM的內(nèi)部結(jié)果進(jìn)行一個(gè)詳細(xì)的介紹

　　HY57V641620ET-H的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　通過(guò)上圖可以看到SDRAM的“五臟六腑”，下面就來(lái)一一剖析：

　　SDRAM指令接口模塊，這些信號(hào)組成了SDRAM的控制指令，控制指令通過(guò)“state machine”進(jìn)行譯碼，由此產(chǎn)生了一系列的控制動(dòng)作。

　　SDRAM地址線(xiàn)，其中包括塊地址線(xiàn)、行地址線(xiàn)、列地址線(xiàn)，至于會(huì)有這么多線(xiàn)，是因?yàn)橛玫搅丝偩€(xiàn)復(fù)用，其行線(xiàn)和列線(xiàn)分時(shí)復(fù)用，從而節(jié)省了總線(xiàn)資源，又可以操作到SDRAM的全部存儲(chǔ)單元。至于塊地址線(xiàn)，下面會(huì)講到。

　　SDRAM存儲(chǔ)塊和數(shù)據(jù)接口：HY57V641620ET-H內(nèi)部存儲(chǔ)由四個(gè)一模一樣的存儲(chǔ)塊組成，至于怎么識(shí)別這四個(gè)存儲(chǔ)塊，必須要有兩條地址線(xiàn)，所以就用到了上面的那兩條地址線(xiàn)。

　　動(dòng)作電路模塊：這幾個(gè)模塊主要是根據(jù)“state machine”的譯碼結(jié)果進(jìn)行工作的、包括行列地址的編碼、自刷新定時(shí)和自刷新操作。

　　模式寄存器解碼和突發(fā)操作模塊：在對(duì)SDRAM的寄存器進(jìn)行配置的時(shí)候，是通過(guò)地址線(xiàn)對(duì)SDRAM進(jìn)行配置的，SDRAM中有一種突發(fā)操作模式，該模式由寄存器進(jìn)行配置，所以該電路中包含一個(gè)突發(fā)操作的計(jì)數(shù)器。至于突發(fā)操作的原理下面會(huì)涉及到。

　　相信看到這里，你已經(jīng)對(duì)SDRAM由感性的認(rèn)識(shí)升級(jí)到實(shí)質(zhì)性的認(rèn)識(shí)，恭喜你，哈哈…。

　　HY57V641620ET-H的存儲(chǔ)量

　　看到這之前相信你應(yīng)該了解過(guò)不少SDRAM的資料，也相信很多資料中從未講過(guò)SDRAM名稱(chēng)的問(wèn)題，現(xiàn)在我就來(lái)幫你解析這個(gè)SDRAM

　　HY：代表是海力士的SDRAM存儲(chǔ)器

　　57：代表這是SDRAM芯片

　　V：代表這個(gè)SDRAM芯片工作電壓是3.3V

　　641620：代表這個(gè)SDRAM芯片的存儲(chǔ)容量

　　ET：代表SDRAM的塊反應(yīng)時(shí)間和封裝

　　H：代表SDRAM的速度等級(jí)

　　下面我們來(lái)計(jì)算下這個(gè)芯片的存儲(chǔ)容量：

　　存儲(chǔ)容量由存儲(chǔ)深度和存儲(chǔ)寬度決定，這是任何存儲(chǔ)芯片存儲(chǔ)容量的定義；

　　存儲(chǔ)深度：HY57V641620ET-H內(nèi)部有4個(gè)塊，每個(gè)塊有行地址12bit，列地址8bit

　　所以每個(gè)塊就有2^12*2^8 = 4096*256=1048576個(gè)存儲(chǔ)單元，4個(gè)塊就有4*1048576=4194304個(gè)存儲(chǔ)單元。

　　存儲(chǔ)寬度：該SDRAM的數(shù)據(jù)位寬為16bit

　　存儲(chǔ)容量：4194304*16bit = 67108864bit，就是64M