DDR扫盲——关于Prefetch与Burst的深入讨论

FROM：http://blog.chinaaet.com/justlxy/p/5100052027

学习DDR有一段时间了，期间看了好多的资料（部分公司的培训资料、几十篇的博文，Micron的Datasheet，JESD79规范等）。但是有一个问题，想了好久（很多资料都没有说明白），至今才算搞明白，所以写一篇文章和大家分享一下。

如题，接下来要讨论的主要是关于Prefetch和Burst相关的内容。

1、Prefetch介绍

首先，简单介绍一下Prefetch技术。所谓prefetch，就是预加载，这是DDR时代提出的技术。在SDR中，并没有这一技术，所以其每一个cell的存储容量等于DQ的宽度（芯片数据IO位宽）。【关于什么是cell（存储单元，可以去看一下，我之前的博文：http://blog.chinaaet.com/justlxy/p/5100051913 ）】

进入DDR时代之后，就有了prefetch技术，DDR是两位预取（2-bit Prefetch），有的公司则贴切的称之为2-n Prefetch（n代表芯片位宽）。DDR2是四位预取（4-bit Prefetch），DDR3和DDR4都是八位预取（8-bit Prefetch）。而8-bit Prefetch可以使得内核时钟是DDR时钟的四分之一，这也是Prefetch的根本意义所在。

补充说明：芯片位宽的另一种说法是配置模式（Configuration），在DDR3时代，一般有x4，x8，x16。

下面以DDR3为例，下图是个简单 一个简单Read预取示意图，Write可以看做是 个逆向过程。

当DDR3 为x8 Configuration时，一个Cell的容量为8x8bits，即8个字节。换一句话说，在指定bank、row地址和col地址之后，可以往该地址内写入（或读取）8 Bytes。

2、回到一个简单的问题上，如何计算DDR3 SDRAM的容量

以Mircon的某型号DDR3 SDRAM为例：

以图中红色部分的内容作为分析案例（8个bank，x8的Configuration）：

计算方式一（错误）：

64K*8*1K*8（Row Addressing * Bank Addressing * Column Addressing * x8 Configuration）= 4Gb（512 Megx8）。

大部分材料给出的都是这种错误的计算方法，误导了很多的初学者。这种计算方法咋一看好像是对的。但是，仔细推敲一下，便可以发现，按照计算方式一的逻辑，则认为每一个Cell的容量是1bit*8（x8 Configuration），即8bit。这与我们在第一部分所讨论的结果（一个Cell的容量为64bits，x8 Configuration下）不符。

当然，从某种角度来说，计算方式一也是正确的，因为分离出的Column Address的位数实际上是和prefetch对应的。比如DDR3 8-bit Prefetch对3bits的Column Address，DDR2 4-bit Prefetch对应的是2bits的Column Address。只是如果直接按照计算方式一来计算的话，对于初次接触DDR的人来说，理解起来存在一定的困难，这也是我写这一篇博文的原因。

下面给出正确的计算方式，并说明原因。

计算方式二（正确）：

64K*8*（1K/8）*8*8（Row Addressing * Bank Addressing * (Column Addressing / 8) * x8 Configuration * 8-bit Prefetch）= 4Gb（512 Megx8）。

很多人都会问，为什么要把列地址寻址（Column Addressing）除以8呢？似乎计算方式二看起来更加不合理。接下来，我们先来回顾一下DDR3 SDRAM的结构框图（还是以Mircon的某型号为例）：

大图可能看的不太清楚，下面来几个特写：

没错！你没有看错！10bit的Column Address的寻址能力只有128！！！刚好差了8倍（这就是我们在计算方式二中将Column Addressing除以8的原因）！

那么问题又来了，为什么Column Address的寻址能力只有128呢？莫急，请继续看下图：

在上图中，可以清晰地发现，10bits的Column Address只有7bits用于列地址译码！列地址0,1,2并没有用！！！

那么，问题又来了！……

列地址0,1,2,这3bits被用于什么功能了？或者是Mircon的设计者脑残，故意浪费了这三个bits？显然不是。

在JESD79-3规范中有如下的这个表格：

可以发现，Column Address的A2，A1，A0三位被用于Burst Order功能，并且A3也被用于Burst Type功能。由于一般情况，我们采用的都是顺序读写模式（即{A2,A1,A0}={0,0,0}），所以此时的A3的取值并无直接影响。

那么，问题又来了！……

Burst又是什么鬼呢？且看第三部分。

3、DDR中的Burst Length

Burst Lengths，简称BL，指突发长度，突发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(SDRAM)，在DDR SDRAM中指连续传输的周期数。上一部分讲到的Burst Type和Burst Order实际上就是关于Burst Length的读写顺序的配置。

【注：不了解相关名词的可以去看一下，我之前的博文：http://blog.chinaaet.com/justlxy/p/5100051913】

在DDR3 SDRAM时代,内部配置采用了8n prefetch(预取)来实现高速读写.这也导致了DDR3的Burst Length一般都是8。当然也有Bursth ength为4的设置(BC4)，是指另外4笔数据是不被传输的或者被认为无效而已。

在DDR2时代，内部配置采用的是4n prefetch，Burst length有4和8两种，对于BL=8的读写操作，会出现两次4n Prefetch的动作。

上图是JESD79-3规范中给出的DDR3 SDRAM的Command Truth Table。可以看到，读取和写入都有三种基本模式（Fixed BL8 or BC4，BC4 on the fly，BL8 on the fly）。这一部分的内容，在我之前的博文中有所提及，此处不再详细介绍。

4、参考资料

4Gb_DDR3_SDRAM.pdf

Samsung DDR3 Datasheet.pdf

JESD79-3A-DDR3规范.pdf