DDR的基本原理与工作过程

DDR的基本原理与工作过程

一、DDR的基本原理与工作过程

     这种内部存储单元容量（也可以称为芯片内部总线位宽）=2×芯片位宽（也可称为芯片I/O总线位宽）的设计，就是所谓的两位预取（2-bit Prefetch），有的公司则贴切的称之为2-n Prefetch（n代表芯片位宽）。

     在实际工作中，L-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“行有效”或“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（读或写），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），大家也可以理解为行选通周期。tRCD是SDRAM的一个重要时序参数，可以通过主板BIOS经过北桥芯片进行调整。广义的tRCD以时钟周期（tCK，Clock Time）数为单位，比如tRCD=2，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：对于PC100 SDRAM（时钟频率等同于DDR-200），tRCD=2，代表20ns的延迟；对于PC133（时钟频率等于DDR-266）则为15ns。

     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 DDR-400，时钟频率为 200MHz，时钟周期为 5ns，那么 CL=2 就意味着 10ns 的潜伏期。不过 ，CL 只是针对读取操作；对于 SDRAM，写入是没有潜伏期的；对于 DDR SDRAM，写入潜伏期在 0.75 至 1.25 个时针周期之间。

     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P-Bank位宽为8字节，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（SDRAM与DDR SDRAM的突发传输对列寻址的操作数量有所不同，在此不再细说）。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。

      在数据读取完之后，为了腾出读出放大器以供同一L-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。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L-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。

二、DDR SDRAM的关键部分

DDR SDRAM与SDRAM一样，在开机时也要进行MRS，不过由于操作功能的增多，DDR SDRAM在MRS之前还多了一EMRS阶段（Extended Mode Register Set，扩展模式寄存器设置），这个扩展模式寄存器控制着DLL的有效/禁止、输出驱动强度、QFC 有效/无效等。

差分时钟是DDR的一个必要设计，但CK#的作用，并不能理解为第二个触发时钟（你可以在讲述DDR原理时简单地这么比喻），而是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，此时与其反相的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）。而由于上下沿触发的原因，也使CL=1.5和2.5成为可能，并容易实现。

2、 数据选取脉冲（DQS）

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，数据真正出现在数据I/O总线上相对于DQS触发的时间间隔被称为tAC。注意，这与SDRAM中的tAC的不同。实际上，DQS生成时，芯片内部的预取已经完毕了，tAC是指上文结构图中灰色部分的数据输出时间，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。

2+、CL（CAS Latency）

指的是内存存取数据所需的延迟时间，简单的说，就是内存接到CPU的指令后的反应速度。

3、 写入延迟

写入延迟已经不是0了，在发出写入命令后，DQS与写入数据要等一段时间才会送达。这个周期被称为DQS相对于写入命令的延迟时间（tDQSS， WRITE Command to the first corresponding rising edge of DQS），对于这个时间大家应该很好理解了。

为什么要有这样的延迟设计呢？原因也在于同步，毕竟一个时钟周期两次传送，需要很高的控制精度，它必须要等接收方做好充分的准备才行。tDQSS是DDR内存写入操作的一个重要参数，太短的话恐怕接受有误，太长则会造成总线空闲。tDQSS最短不能小于0.75个时钟周期，最长不能超过1.25个时钟周期。有人可能会说，如果这样，DQS不就与芯片内的时钟不同步了吗？对，正常情况下，tDQSS是一个时钟周期，但写入时接受方的时钟只用来控制命令信号的同步，而数据的接受则完全依靠DQS进行同步，所以DQS与时钟不同步也无所谓。不过，tDQSS产生了一个不利影响——读后写操作延迟的增加，如果CL=2.5，还要在tDQSS基础上加入半个时钟周期，因为命令都要在CK的上升沿发出。

4、突发长度与写入掩码

在DDR SDRAM中，突发长度只有2、4、8三种选择，没有随机存取的操作（突发长度为1）和全页式突发。这是为什么呢？因为L-Bank一次就存取两倍于芯片位宽的数据，所以芯片至少也要进行两次传输才可以，否则内部多出来的数据怎么处理？而全页式突发事实证明在PC内存中是很难用得上的，所以被取消也不希奇。

另外，DDR内存的数据真正写入由于要经过更多步骤的处理，所以写回时间（tWR）也明显延长，一般在3个时钟周期左右，而在DDR-Ⅱ规范中更是将tWR列为模式寄存器的一项，可见它的重要性。

但是，突发长度的定义也与SDRAM的不一样了，它不再指所连续寻址的存储单元数量，而是指连续的传输周期数，每次是一个芯片位宽的数据。对于突发写入，如果其中有不想存入的数据，仍可以运用DM信号进行屏蔽。DM信号和数据信号同时发出，接收方在DQS的上升与下降沿来判断DM的状态，如果DM为高电平，那么之前从DQS中部选取的数据就被屏蔽了。有人可能会觉得，DM是输入信号，意味着芯片不能发出DM信号给北桥作为屏蔽读取数据的参考。其实，该读哪个数据也是由北桥芯片决定的，所以芯片也无需参与北桥的工作，哪个数据是有用的就留给北桥自己去选吧。

5、 延迟锁定回路（DLL）

DDR SDRAM对时钟的精确性有着很高的要求，而DDR SDRAM有两个时钟，一个是外部的总线时钟，一个是内部的工作时钟，在理论上DDR SDRAM这两个时钟应该是同步的，但由于种种原因，如温度、电压波动而产生延迟使两者很难同步，更何况时钟频率本身也有不稳定的情况（SDRAM也有内部时钟，不过因为它的工作/传输频率较低，所以内外同步问题并不突出）。DDR SDRAM的tAC就是因为内部时钟与外部时钟有偏差而引起的，它很可能造成因数据不同步而产生错误的恶果。实际上，不同步就是一种正/负延迟，如果延迟不可避免，那么若是设定一个延迟值，如一个时钟周期，那么内外时钟的上升与下降沿还是同步的。鉴于外部时钟周期也不会绝对统一，所以需要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，这就是DLL的任务。

DLL不同于主板上的PLL，它不涉及频率与电压转换，而是生成一个延迟量给内部时钟。目前DLL有两种实现方法，一个是时钟频率测量法（CFM，Clock Frequency Measurement），一个是时钟比较法（CC，Clock Comparator）。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了一个时钟周期，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。

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里，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中刨除，如此往复，最终使内外时钟同步。

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，并且如果测量失误，则内部的延迟就永远错下去了。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（而且不会太严重），不会涉及到后面的延迟修正，但它的修正时间要比CFM长。DLL功能在DDR SDRAM中可以被禁止，但仅限于除错与*估操作，正常工作状态是自动有效的。