分类： 嵌入式
2014-05-14 16:41:53
1. SDRAM的工作原理
1.1 SDRAM概述
SDRAM：Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步动态随机存储器。同步是指其时钟频率(CLK)与CPU的AHB总线时钟频率(HCLK)相同，并且内部的命令的发送于数据的传输都以 它为基准；动态是指存储阵列需要不断的刷新来保证数据不丢失；随机是指数据不是线性依次存储，而是自由指定地址进行数据的读写。
1.2 SDRAM的相关概念
⑴bank
一个SDRAM芯片一般由4个bank组成，下图是K4M51163-BG75功能结构图的关于bank的部分
上图中间可见K4M51163-BG75有4个bank，一个bank的大小是8M*16bite，8M表示这个bank有8M个存储单元，而每个单元可以存储16bit的数据。SDRAM的基本存储单位就是存储单元，最小的存储单位就是bit。
⑵位宽
上面提到一个存储单元包含16bit，这就是bank的位宽，也是一个SDRAM芯片的位宽，位宽表示每个传输周期(在这里是指送进CLK端的时钟的一个周期)传送的数据量(16bit)。
⑶SDRAM的容量
SDRAM的容量就是指存储单元的数量，计算公式如下
SDRAM的容量=bank的数量*(行数*列数)
在这里bank的数量是4个，而行数及列数的相关说明见下图
可以行数是用A0~A12总共13根地址线表示，可表达的行数达2的13次方(8192)；列数是用A0~A9总共10根地址线来表示，可表达的列数达2的10次方(1024)，同时看出行和列地址线是分时复用的。
1.3 SDRAM的寻址原理
SDRAM的内部是一个存储阵列，阵列就如何表格一样，和表格的检索原理一样，先指定一个行row，再指定一个列column，这样我们就可以准确 找到所需要的单元格了，这就是SDRAM芯片寻址的基本原理。对于内存，这个单元格被称为存储单元，那么这个表格(存储阵列)叫什么呢？它就是bank。 我们的系统是采用两片K4M51163-BG75，那么这两片K4M51163-BG75是如何工作的呢？见下图
通过nSCS0来选择当前是哪个SDRAM芯片在工作，选定了指定的SDRAM芯片之后，通过BA0和BA1来选择特定的bank，选择了特定的bank，接着就选择特定行，然后在选择列，这样就可以找到特定的存储单元了。
注：SDRAM一次传输一个存储单元的数据，也就是16bit的数据，通过DQ0~DQ15读出或写入数据，这里的读出就是存储电容的放电，而写入就是存储电容的充电，每一位对应的数据保存在存储电容中，也就是一位能表示的高低电平，下图是有助于理解这点
2 K4M51163PG-BG75
2.1 SDRAM的引脚
SDRAM要想工作，必须要于内存控制器有所联系，同时对于一个电气元件，电源供应也是必不可少的，而且数据的传输要有一个时钟来同步数据的传送。因此电源与时钟引脚是必须的，那么还需要哪些控制引脚呢？
I：首先，我们知道内存控制器要先确定选择系统使用的两个SDRAM芯片的哪一个，然后才能对被选定的芯片进行寻址操作。因此要有一个片选的信号，它一次选择一个SDRAM芯片。
II：接下来就是对所选择的芯片进行bank的寻址，目前SDRAM中bank的数量最高为4个，所以需要两个bank的地址信号。
III：然后就是要对被选择的bank进行行和列(存储单元)寻址，其中所需要的地址线数量根据SDRAM芯片容量大小及组织结构分别设计了，但在相同容量下，行数不变，只有列数会根据位宽的变化而变化，位宽越大，列数越小，因为所需的存储单元减少了。
IV：找到存储单元后，就要把这个单元的数据读出或者写入，那么肯定要有与位宽相同的数据I/O通道才行，所以要有相应数量的数据引线。
2.1 K4M51163PG-BG75的功能结构图
2.2 K4M51163PG-BG75的引脚
引脚图如下
下面详细描述这些pin
CLK
系统时钟，S3C2443的mobile控制器的SDRAM时钟引脚连接这个引脚，这个clock引脚的作用就是用于同步数据传输，就是以这个时钟信号作为数据传输的触发参考。K4M51163PG-BG75关于CLK周期时间的要求如下图所示
又结合下图
而S3C2443是通过HCLK给SDRAM芯片提供时钟信号的，见下图
我们系统HCLK=400Mhz/3=133Mhz，所以应该去CAS latency=3，从而知道对一个CLK周期时间的要求就是>=7.5ns，有HCLK=133Mhz，可以算出HCLK的一个时钟周期时 间=1/133Mhz=7.5188ns>7.5ns，可知当前的HCLK可以提供满足K4M51163PG-BG7的CLK。
/CS
片选信号，在使用多个SDRAM芯片时使用，用于选择某个时间哪个SDRAM芯片工作，S3C2443的nSCS0和这个引脚连接，mobie控制器功过控制这根信号线来选择我们系统采用两片SDRAM中的任何一片。
CKE
时钟有效信号线，和S3C2443的SCKE连接，mobile控制器功过这个信号线来使CLK有效。
A0~A12
行地址线，用于选择每个bank的行，也即行激活。
A0~A9
列地址线，用于选择每个bank的列，也即选择存储单元格，行和列地址是复用的。
BA0~BA1
Bank的选择地址，因为此SDRAM芯片有4个bank，所以需要两位的bank地址线才能选择到这4个bank。
/RAS
行地址选通，在这个信号线为低电平时，地址线A0~A12送出来的具体的行地址才有实际的意义，也就是才能选通具体的行
/CAS
列地址选择，在这个信号线为低电平时，地址线A0~A9送出来的具体的列地址才有实际的意义，也就是才能选通具体的列，也及存储单元格。
/WE
写使能，为高电平时，可以读取数据；为低电平时，可以写入数据。
L(U)DQM
数据输入/输出屏蔽，用于在突发传输时。
DQ0~15
数据输入/输出端
2.3 SDRAM的内部基本操作与工作时序
2.3.1 SDRAM芯片的初始化
SDRAM在上电以后必须先对其进行初始化操作，而后才能对其进行其他操作，初始化的操作具体步骤如下：
⑴SDRAM在上电以后至少要等待200us，在等待时间结束后还至少要执行一条空操作指令。
⑵SDRAM执行一条预充电命令后，要执行一条空操作命令，这两个操作会使所有的存储单元进行一次预充电，从而使所有阵列中的器件处于待机状态。
⑶SDRAM至少要执行两条自刷新命令，每一条刷新命令之后，都要执行一条空操作命令，这些操作可使SDRAM芯片内部的刷新及计数器进入正常运行状态，以便SDRAM为模式寄存器编程做好准备。
⑷执行一个MRS(mode register set)命令去初始化mode register(模式寄存器)。
⑸在normal MRS之后，可以执行一个EMRS(extended mode register)命令来实现想要的操作模式。
下图是K4M51163PG-BG75上电之后的操作要求
下面的图是SDRAM初始化过程的大概描述，有助于加强理解
2.3.2 SDRAM行有效
初始化完成后，要像对一个bank中的存储单元进行寻址，首先就要确定行，也即行选通，使之处于激活状态(Active)，然后再确定列。我们知道 要确定行，首先要进行片选和bank的定址，这两个动作和行选通可以同时进行，下图是K4M51163PG-BG75的bank和行选通的真值表，也即时 序图
从上图可以看出，在/CS和bank定址的同时，/RAS(行地址选通)也处于有效状态(低电平有效)，此时，A0~A12地址线则发送具体的行地 址，共有13个地址线，由于是二进制表示法，所以共有8192个行(2^13=8192)，A0~A12的不同二进制数值就确定了具体ideas行地址。 由于行有效的同时也是相应的bank有效，所以行有效也可称为bank有效，根据上图这个表，也可转化为下面类似的时序图，下面这个图可以加强这方面的理 解。
2.3.3 列读写
行地址确定之后，就要对列地址进行寻址了。但是，地址线仍然是行地址所用的A0~A9，在SDRAM中，行地址于列地址是复用的。不过，读/写的命 令是怎么发出来的呢？其实没有一个信号是发送读或写的明确命令的，而是通过芯片的可写状态(/WE)的控制来达到读/写的目的。/WE信号就是一个关键， 在/WE为高低电平时，是读取命令；/WE为低电平时，是写入命令。下图是K4M51163PG-BG75关于列读取的真值表
从上图可知，列寻址信号与读取命令是同时发出的，虽然列地址线与行寻址共用，但CAS(Column Address Strobe，列地址选通)信号则可以区分开行与列寻址的不同，再配合A0~A9来确定具体的列地址，请注意行有效和列寻址命令时RAS和CAS的电平变 化，上图可以转化为类似下面的时序图，可以加强理解
我们知道，在发送列读取命令时必须要有与行有效命令有一个间隔，这个间隔被定义为tRCD，即RAS to CAS Delay(RAS 至CAS延迟)，也可以理解为行选通周期，这应该是根据芯片存储阵列电子元件响应时间(从一种状态到另一种状态变化的过程)所制定的延迟，下图是 K4M51163PG-BG75对这个参数的要求
tRCD是SDRAM的一个重要时序参数。广义的tRCD以时钟周期数为单位，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CLK(也即S3C2440A送过来的HCLK)而定，又上图可看出tRCD要满足tRCD>=22.5ns，已知 HCLK=400/3Mhz，可算出HCLK的一个时钟周期时间=1/133Mhz=7.5188ns，所以tRCD的时间要求是至少为3个clock， 根据S3C2440A内存控制器相关寄存器BANKCONn的下图描述
可以看出，只要BANKCONn[3:2]位等于01或10，都可以满足tRCD的要求，下图有助于理解tRCD
2.4 数据输出(读取)
在选定列地址后，就已经确定了具体的存储单元，接下来的事情就是数据通过数据I/O通道(DQ0~DQ15)输出到内存总线 (SDATA0~SDATA31，两片SDRAM)上。但是在CAS发出之后，仍要经过一定的时间才能有数据输出，从CAS与读取命令发出到第一笔数据输 出的这段时间，被定义为CL(CAS Latency，CAS潜伏期)。由于CL只在读取时出现，所以CL又被成为读取潜伏期(RL，Read Latency)。CL的单位与tRCD一样，为时钟周期数，具体耗时由时钟频率决定。CL是SDRAM及其重要的一个参数，如果这个参数设置不对，很有 可能使bootloader的eboot不能更新NK，关于这个话题，我打算另外写篇文章来共享我所遇到的问题及解决的办法，下面接下来还是看看 S3C2440A的寄存器MRSR中关于CL的设置
在结合K4M51163PG-BG75 datasheet中相关部分，见下图
可以看出，CL的值应该是选择3，因为我们的HCLK=133Mhz，所以寄存器MRSR[6:4]=011。
请注意，CAS并不是经过CL周期之后才送达存储单元。实际上CAS与RAS一样时瞬间到达的，但CAS的响应时间要更快一些。为什么呢？现在我们 采用的SDRAM芯片位宽是16bit，列数为1024(2^10)，那么一个行地址要选通(就是一行中所有的存储体选通，在这里一个存储单元有16个存 储体)16*1024个存储体，而一个列地址值需要选通16个存储体。但存储体中晶体管的反应时间仍会造成数据不可能与CAS在同一个上升沿触发，肯定要 延后至少一个时钟周期。
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Sense AMP负责，一个存储体对应一个Sens AMP通道。
见下图
但它(Sense AMP)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Sense 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，这段时间称之为tAC (Access Time from CLK，时钟触发后的访问时间)。tAC的单位是ns，对于不同的频率各有不同的明确规定，但必须要小于一个时钟周期，否则会因访问时间过长而使效率降 低。K4M51163PG-BG75对这个参数定义为tSAC，下图
从上图可以知道K4M51163PG-BG75的时钟周期最小为7.5ns，而tSAC的最大值为6ns，这个值小于7.5ns。需要强调的是，每 个数据在读取时都有tAC，包括在连续读取中，只是在进行第一个数据传输的同时就开始了第二个数据的tAC。下图有助于对tAC参数的理解
CL的数值不能超出芯片的设计规范，否则会导致内存的不稳定，甚至不能更新NK和不能正常启动系统，而且它也不能在数据读取前临时更改。CL周期在开机初始化过程中的MRS阶段设置。
2.5 数据输入(写)
数据写入的操作也是在tRCD之后进行的，但此时没有了CL(记住，CL只出现在读取操作中)，下图时数据输入和输出的真值表
从图可以看出，数据输入和数据输出的唯一区别就是，在数据输入时，/WE信号有效(低电平有效)。数据信号由SDRAM控制器发出，输入时只需要直 接传到数据输入寄存器(Data input register)，然后再由写入驱动器进行对存储电容的充电操作，因此数据可以与CAS同时发送，也就是说写入延迟为0。不过，数据并不是即时地写入存 储电容，因为选通三极管(就如读取时一样)与电容的充电必须要有一段时间，所以数据的真正写入需要一定的周期。
2.6 突发长度
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，连续传输所涉及到存储单元(列)的数量就是突发长度(Burst Lengths，简称BL)，下图是S3C2440A的关于BL的类型及长度的描述
从上图可看出S3C2440A的内存控制器只支持sequential的BT类型，及只支持1个字节的突发长度，下图是K4M51163PG-BG75支持的BT类型及长度
从上图可知在A3=0且A0~A2均为1时，支持的突发长度是full page(全页)，全页突发传输是指bank里的一行中所有存储单元(2^10=1024)从头至尾进行连续传输，不过这种针对芯片的页定义是狭义的，我 们常用的则是广义上的页，我们知道内存系统的每次传输都是以一个SDRAM芯片位宽为单位的(K4M51163PG-BG75的位宽为16bit)，而我 们系统是采用两片K4M51163PG-BG75。在每次寻址时，每个SDRAM芯片所得到的bank地址与行地址都是相同的。这样在全页操作中，就等于 对内存系统中这两个SDRAM芯片内同一个bank同一行的所有存储单元读/写，那就是2*2^10=2048个存储单元，这就是广义上的页。
突发传输技术，只要指定其实列地址与突发长度，内存就会一次地自动对后面相应数量的存储单元进行读/写而不需要内存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，一般是tRC + CL)外，其后每个数据只需要一个周期即可获得，下图有助于理解突出传输
2.7 预充电
由于SDRAM的寻址具有独占性，所以在进行完读写操作后，如果要对同一个bank的另一行进行寻址，就要将原来有效(工作)的行关闭，重新发送行 /列地址。Bank关闭现有工作行，准备打开新行的操作就是预充电(Precharge)。预充电可以通过命令控制，也可以通过辅助设定让SDRAM在每 次读写操作之后自动进行预先充电。实际上，预充电是一种对工作行中的所有存储体进行数据重写，并对行地址进行复位，同时释放sense –AMP，下图是关于预充电的控制真值表图
从上图可看出地址线A10控制着是否进行在读写之后对当前bank自动进行预充电，这就是上文所说的“辅助设定”。而在单独的预充电命令中，A10则控制着是对指定的bank还是所有的bank进行预先充电，前者需要提供bank的地址，后者只需将A10信号置于高电平。
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，这个间隔被称为tRP(Precharge command Period，预充电有效周期)。和tRCD、CL一样，tRP的单位也是时钟周期数，K4M51163PG-BG75对这个参数见下图
从上图可看出tPR的最小值是22.5ns，S3C2440A的内存控制器相关部分见下图
为了满足tPR>=22.5ns，而每个clock周期是7.5ns，所以至少需要3个clock，那么只要Trp位的值是01或10都可以提供满足要求的tPR给SDRAM芯片。
2.8 刷新
之所以成为SDRAM，就是因为它要不断进行刷新(Refresh)才能保留住数据，因此它是SDRAM最重要的操作。刷新操作与预充电中重写的操 作一样，都是用sense-AMP先读后写。但为什么有预充电操作还要进行刷新呢？因为预充电是对一个或所有bank中的工作行操作，并且是不定期的，而 刷新则是有固定的周期，依次对所有行进行操作，以保留那些久久没经历重写的存储体中的数据。但与所有bank预充电不同的是，这里的行是指所有bank中 地址相同的行，而预充电中各bank中的工作行地址并不是一定是相同的。
那么要隔多长时间重复一次刷新呢？目前公认的标准是，存储体中电容的数据有效保存期上限是64ms，也就是说每一行刷新的循环周期是64ms。这样的刷新速度就是：行数量/64ms。
K4M51163PG-BG75对这个参数的描述如下图所示
这里的8K实际就是8192(2^13)，8k就代表这个芯片中每个bank的行数。刷新命令一次对一行有效，发送间隔也是随着行总数而变化，8192行时就是64ms/80192=7.8125us。
刷新操作分为两种：自动刷新(auto refresh，简称AR)与自刷新(self refresh，简称SR)。不论是何种刷新方式，都不需要外部提供行地址信息，因为这是一个内部的自动操作。对于AR，SDRAM内部有一个行地址生成 器(也称刷新计时器)用来自动的依次生成行地址。由于刷新是针对一行中的所有存储体进行，所以无需列寻址，或则会说CAS在RAS之前有效。所以，AR又 称CBR(CAS Before RAS，列提前于行定位)式刷新。由于刷新涉及到所有的bank，因此在刷新过程中，所有的bank都停止工作，而每次刷新所占用的时间对于不同的 SDRAM芯片的值不同，K4M51163PG-BG75对这个参数描述如下图所示：
可以看出在11(80ns/7.5ns=10)个时钟周期内，所有的工作指令只能等待而无法执行，我们知道每个7.8125us发送一次行刷新命令，也就是说在1041(7.8125us/7.5ns)个时钟周期内，有11个时钟周期是用于等待一行的刷新。
SR则主要用于休眠模式低功耗状态下的数据保存，这方面最著名的应用就是STR(Suspend to RAM，休眠挂起于内存)。在发出AR命令时，将CKE置于无效状态，就进入了SR模式，下图是K4M51163PG-BG75的相关描述
可以看出，当发出AR命令后，如果将CKE置为电平(无效状态)，就进入了SR模式，此时不再依靠系统时钟工作，而是根据内部的时钟进行刷新操作， 这部分和系统进入睡眠时的应用有紧密的联系，后面深入学习系统进入睡眠部分时再做总结。在SR期间除了CKE之外的所有外部信号都是无效的(无需外部提供 刷新命令)。
