DDR4设计概述以及分析仿真案例.docx

DRAM （动态随机访问存储器）对设计人员特别具有吸引力，因为它提供了广泛的性能，用于各种计算机和嵌入式系统的存储系统设计中。本文概括阐述了DRAM 的概念，及介绍了SDRAM、DDR SDRAM、DDR2 SDRAM、DDR3 SDRAM、DDR4 SDRAM、DDR5 SDRAM、LPDDR、GDDR。 DRAM DRAM较其它内存类型的一个优势是它能够以IC（集成电路）上每个内存单元更少的电路实现。DRAM 的内存单元基于电容器上贮存的电荷。典型的DRAM 单元使用一个电容器及一个或三个FET（场效应晶体管）制成。典型的SRAM （静态随机访问内存）内存单元采取六个FET 器件，降低了相同尺寸时每个IC 的内存单元数量。与DRAM 相比，SRAM 使用起来更简便，接口更容易，数据访问时间更快。 DRAM核心结构由多个内存单元组成，这些内存单元分成由行和列组成的两维阵列（参见图1）。访问内存单元需要两步。先寻找某个行的地址，然后在选定行中寻找特定列的地址。换句话说，先在DRAM IC 内部读取整个行，然后列地址选择DRAM IC I/O（输入/ 输出）针脚要读取或要写入该行的哪一列。 DRAM读取具有破坏性，也就是说，在读操作中会破坏内存单元行中的数据。因此，必需在该行上的读或写操作结束时，把行数据写回到同一行中。这一操作称为预充电，是行上的最后一项操作。必须完成这一操作之后，才能访问新的行，这一操作称为关闭打开的行。 对计算机内存访问进行分析后表明，内存访问中最常用的类型是读取顺序的内存地址。这是合理的，因为读取计算机指令一般要比数据读取或写入更加常用。此外，大多数指令读取在内存中顺序进行，直到发生到指令分支或跳到子例程。 图1. DRAMs 内存单元分成由行和列组成的两维阵列 DRAM的一个行称为内存页面，一旦打开行，您可以访问该行中多个顺序的或不同的列地址。这提高了内存访问速度，降低了内存时延，因为在访问同一个内存页面中的内存单元时，其不必把行地址重新发送给DRAM.结果，行地址是计算机的高阶地址位，列地址是低阶地址位。由于行地址和列地址在不同的时间发送，因此行地址和列地址复用到相同的DRAM 针脚上，以降低封装针脚数量、成本和尺寸。一般来说，行地址尺寸要大于列地址，因为使用的功率与列数有关。 早期的RAM拥有控制信号，如RAS# （行地址选择低有效）和CAS# （列地址选择低有效），选择执行的行和列寻址操作。其它DRAM 控制信号包括用来选择写入或读取操作的WE# （写启动低有效）、用来选择DRAM的CS#（芯片选择低有效）及OE# （输出启动低有效）。早期的DRAM拥有异步控制信号，并有各种定时规范，涵盖了其顺序和时间关系，来确定DRAM 工作模式。 早期的DRAM读取周期有四个步骤。第一步，RAS# 与地址总线上的行地址变低。第二步，CAS# 与地址总线上的列地址变低。第三步，OE#变低，读取数据出现在DQ 数据针脚上。在DQ 针脚上提供数据时，从第一步第三步的时间称为时延。最后一步是RAS#, CAS# 和OE# 变高（不活动），等待内部预充电操作在破坏性读取后完成行数据的恢复工作。从第一步开始到最后一步结束的时间是内存周期时间。上述信号的信号定时与边沿顺序有关，是异步的。这些早期DRAM没有同步时钟操作。 DRAM 内存单元必需刷新，避免丢失数据内容。这要求丢失电荷前刷新电容器。刷新内存由内存控制器负责，刷新时间指标因不同DRAM内存而不同。内存控制器对行地址进行仅RAS# 循环，进行刷新。在仅RAS# 循环结束时，进行预充电操作，恢复仅RAS# 循环中寻址的行数据。一般来说，内存控制器有一个行计数器，其顺序生成仅RAS# 刷新周期所需的所有行地址。 刷新策略有两个（参见图2）。第一个策略内存控制器在刷新周期突发中顺序刷新所有行，然后把内存控制返回处理器，以进行正常操作。在到达最大刷新时间前，会发生下一个刷新操作突发。第二个刷新策略是内存控制器使用正常处理器内存操作隔行扫描刷新周期。这种刷新方法在最大刷新时间内展开刷新周期。 图2. DRAM 刷新实现方案包括分布式刷新和突发刷新。 早期的DRAM 演进及实现了DRAM IC 上的刷新计数器，处理顺序生成的行地址。在DRAM IC 内部，刷新计数器是复用器输入，控制着内存阵列行地址。另一个复用器输入来自外部地址输入针脚的行地址。这个内部刷新计数器不需要内存控制器中的外部刷新计数器电路。部分DRAM 在RAS# 周期前支持一个CAS#,以使用内部生成的行地址发起刷新周期。 SDRAM 在接口到同步处理器时，DRAM 的异步操作带来了许多设计挑战。 SDRAM （同步DRAM）是为把DRAM操作同步到计算机系统其余部分，而不需要根据CE# （芯片启