DDR基础知识点汇总

文档推荐

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• 【理解SDRAM颗粒的入门中文手册，强烈推荐】eetop.cn_高手进阶，终极内存技术指南——完整.pdf
• 【理解DRAM电路结构和时序参数】https://linux.codingbelief.com/zh/memory/dram/dram_storage_cell.html

DDR颗粒的电路图来源

可以去网站搜索镁光DDR4 SDRAM关键词。
找出micron DDR4 SDRAM datasheet.pdf ，点击相关链接

上面网址资料应该更全，但是速度太慢。下面网址速度更快：https://pdf.ic37.com/

网上很多图非常不清楚，下面给一张DDR3和DDR4的高清图。

DDR3 SDRAM电路结构高清图

DDR4 SDRAM电路结构高清图

DDR3-1866控制器/PHY/颗粒之间的带宽关系

举例，DDR3-1866，意味着芯片与颗粒之间的传输速率是1866bps（单指一根DDR数据信号线，一般DDR3芯片引脚是32bit），
芯片PHY的DDR管脚信号线对应的时钟频率是1866/2=933MHz，因为上下边沿采样原理。
假设芯片接口，DDR数据位宽支持32bit，那么，
控制器如果是128bit数据位宽，那么时钟频率是=（1866*32）/ 128 = 466MHz。

channel > DIMM > rank > chip > bank > row/column

channel （对应多个DDR控制器）> DIMM（内存插槽） > rank（一次访问位宽决定，也成物理bank） > chip（1个chip大多是4bit/8bit/16bit等，组成一个rank，配合完成一次访问的位宽要求。这就是颗粒） > bank（颗粒里的logic-bank，DDR3一般对应8个bank存储体） > row/column

DDR页和行的概念理解

• DDR logic bank的row就是行，对应行地址选中等。
• DDR页的概念，是针对刷新或者访问来说的，举例，一个rank可能有4个chip组成，一个chip里可能有8个bank，每一个bank有N个行。页指的是一个rank里每个chip，所有bank的一个行地址；注意不是一行，是多行，行数是chip数目*bank数目。
• 所以，DDR页，可以讲为一个rank里每个chip的行地址
• （ps：在一个rank里，每个chip的地址是相同的。因为多个chip组成一个总数据位宽。DDR接口的cs信号，虽然叫chip select，其实是rank（一组chip）的 select）。
• DDR页的概念，后续会讲到页命中、页miss等，跟cache page原理一样。

DDR3 8Bit数据预取技术的理解

参考文章：
土老冒谈硬件 深度解析DDR3内存新特性

• SDRAM最开始是时钟下降沿采样，数据传输速率和频率是1:1关系，即一个周期可传输1bit数据；
• DDR1，采用时钟双边沿采样，即上升沿、下降沿都采样。一个时钟周期可传输2bit数据，这个时候，就叫预取2bit技术了（因为一拍需要预取2bit数据）。可知预取2bit技术的基础，就是双边沿采样。
• DDR2，预取4bit。
• DDR3，预取8bit。举例，DDR3-800内存的存储核心频率其实仅有100MHz，其输入/输出时钟频率为400MHz，利用双边沿采样技术，有效数据传输频率则为800MHz。

预取bit的意思，我理解就是一个时钟周期时间内，从DDR存储cell能够做到取出多少bit数据。如果一次预取16bit，DDR传输速率就又翻倍了。

一般，协议里称为8n prefetch。这个n，我理解就是DQ位宽。所以一个DDR3 16bit SDRAM内存颗粒，其一次读写访问的数据量是8*16=128bit。

DDR burst相关概念

BL，是burst length。对应预取bit数目，DDR3对应的BL是8
BC，是burst chop，中文理解是burst剁开切开，是为了兼容DDR2的burst length为4的情况。DDR3兼容DDR2时，8个burst，只保留前面4个burst有意义，后面4个burst内容无异议被mask掉。

DDR SDRAM的时序参数和读写访问过程

链接文章的时序讲解，图和文字很生动。时序参数和读写访问过程，结合在一起描述的。
https://linux.codingbelief.com/zh/memory/dram/dram_timing.html?q=#additive-latency

DDR2-800内存的标准时序：5-5-5-18，
DDR3-800内存的标准时序则达到了6-6-6-15
DDR3-1066为7-7-7-20
DDR3-1333更是达到了9-9-9-25

这4个数字的含义依次为：CAS Latency（简称CL值）内存CAS延迟时间，这也是内存最重要的参数之一，一般来说内存厂商都会将CL值印在产品标签上。
第二个数字是RAS－to－CAS Delay（tRCD），代表内存行地址传输到列地址的延迟时间。第三个则是Row－precharge
Delay（tRP），代表内存行地址选通脉冲预充电时间。第四个数字则是Row－active Delay（tRAS），代表内存行地址选通延迟。
除了这四个以外，在AMD K8处理器平台和部分非Intel设计的对应Intel芯片组上，如NVIDIA nForce 680i SLI芯片组上，还支持内存的CMD 1T/2T Timing调节，CMD调节对内存的性能影响也很大，其重要性可以和CL相比。
这些参数越低，代表延迟越小。但是系统出了DDR3芯片之外，还有颗粒、PCB板等，需要综合考虑，DDR3延迟不一定比DDR2慢。

一、影响性能的主要时序参数
　　所谓的影响性能是并不是指SDRAM的带宽，频率与位宽固定后，带宽也就不可更改了。但这是理想的情况，在内存的工作周期内，不可能总处于数据传输的状态，因为要有命令、寻址等必要的过程。但这些操作占用的时间越短，内存工作的效率越高，性能也就越好。
　　非数据传输时间的主要组成部分就是各种延迟与潜伏期。通过上文的讲述，大家应该很明显看出有三个参数对内存的性能影响至关重要，它们是tRCD、CL和tRP。每条正规的内存模组都会在标识上注明这三个参数值，可见它们对性能的敏感性。
　　以内存最主要的操作——读取为例。tRCD决定了行寻址（有效）至列寻址（读/写命令）之间的间隔，CL决定了列寻址到数据进行真正被读取所花费的时间，tRP则决定了相同L-Bank中不同工作行转换的速度。现在可以想象一下读取时可能遇到的几种情况（分析写入操作时不用考虑CL即可）：
　　1、要寻址的行与L-Bank是空闲的。也就是说该L-Bank的所有行是关闭的，此时可直接发送行有效命令，数据读取前的总耗时为tRCD+CL，这种情况我们称之为页命中（PH，Page Hit）。
　　2、要寻址的行正好是前一个操作的工作行，也就是说要寻址的行已经处于选通有效状态，此时可直接发送列寻址命令，数据读取前的总耗时仅为CL，这就是所谓的背靠背（Back to Back）寻址，我们称之为页快速命中（PFH，Page Fast Hit）或页直接命中（PDH，Page Direct Hit）。
　　3、要寻址的行所在的L-Bank中已经有一个行处于活动状态（未关闭），这种现象就被称作寻址冲突，此时就必须要进行预充电来关闭工作行，再对新行发送行有效命令。结果，总耗时就是tRP+tRCD+CL，这种情况我们称之为页错失（PM，Page Miss）。
　　显然，PFH是最理想的寻址情况，PM则是最糟糕的寻址情况。上述三种情况发生的机率各自简称为PHR——PH Rate、PFHR——PFH Rate、PMR——PM Rate。因此，系统设计人员（包括内存与北桥芯片）都尽量想提高PHR与PFHR，同时减少PMR，以达到提高内存工作效率的目的。

计算DDR容量的方法

由图可以归纳出：

1. bank有8个；对应BA[2:0]；
2. 行地址有15bit；列地址有10-3=7bit（其中低3bit不会用于列寻址）；
3. 每个bank的数据量

每个bank的数据量 =行列单元存储bit数=2^15 * 2^7 * 128bit=512Mbit
【这个128bit是怎么搞的，最开始理解一个存储cell的容量，就是数据信号线位宽16bit。这里DDR3是指预取8bit技术，8*16bit=128bit，一个地址对应8个预取pre-fetch的16bit数据。可以这样理解，DQ数据线宽是16bit，每一根DQ数据信号线，支持预取8次。】

4. 所以，内存颗粒的容量= 8 * 512bit = 4Gbit=512MB，根据DDR数据信号线位宽，描述上图产品的规格，即256 * 16bit。

DDR控制器架构

DDR控制器功能简介

1. 对DDR存储颗粒进行初始化；
2. AXI等总线简单读写，和 DDR存储颗粒复杂的读写时序，做相互转换。让DDR IP使用者，可以像操作RAM一样操作DDR。
3. 控制器要产生DDR颗粒需要的周期性的刷新指令，不需要用户的干预。
4. DDR控制器接收的请求，一般没有顺序性，访问DDR颗粒的数据传输中，存在大量非数据的传输，即保证DDR颗粒时序的命令配置信息传输。会导致DDR带宽利用率低。因此，出现指令调度和重排序设计。

图摘自《DDR3存储控制器的设计与实现_彭陈.caj》

一些理解点：

• DDR控制器负责配置远程DDR颗粒的命令过程；穿插在数据传输里；占用一部分带宽；
• DDR控制器，输入是SOC总线读写请求；输出是DFI接口请求（图中称为配置请求，或者存储请求）。其中DFI接口通过PHY连接芯片外的DDR颗粒。
• DDR控制器需要访问调度，主要是因为颗粒是多bank的，跨bank的访问请求，会增加latency，减少带宽有效数据传输效率。
• 当前参与项目的DDR控制器，接收的SOC总线读写请求接口，会有多个。因为SOC总线用的NOC架构，有打包解包过程，对latency影响较大。如有latency性能要求，则需要直接在DDR控制器里进行类似数据总线的请求调度。

DDR自动刷新和自刷新，以及与预充电的关系

DDR的最小存储单元电路形式是电容，是通过充放电，实现0,1值存储。
如果长时间维持1值，会因为电路漏电特性，把电容里的电荷释放掉。
所以出现自动刷新概念，把DDR里的数据再次充电刷新一次，目的是保留DDR存储值。

根据协议定义，可知bank里的一行最大自动刷新间隔是7.8us；一个bank最大自动刷新间隔是64ms。由此，常见设计，一个bank的行数是8192。因为协议推导出的最大bank行数=64ms/7.8us=8205。

也就是说，DDR控制器需要每次7.8us时，做一次自动刷新的指令。

self-refresh和auto-refresh的区别，个人理解。

1. 自动刷新是指控制器必须参与发起每一个自动刷新请求。适合正常工作的时候，由控制器来主导刷新操作。
2. 自刷新是指控制器只发起刷新开始和结束两个请求。适合休眠，DRAM颗粒自己负责刷新操作。
3. 自动刷新和自刷新，接口指令是类似的，除了CKE为低表明自刷新开始。

预充电和刷新，都是为了保持电荷存储，做出的电路重写动作。

• 预充电是针对一个bank或者所有bank的一行的操作；是伴随读写命令操作之后执行的。
• 刷新是同时对所有bank的所有行操作。

DDR 扰码解码：obfuscation Scamble.

意义是对DDR数据进行加密。
一个实践的方法是芯片TRNG产生伪随机数，然后跟真实数据XOR实现。

ZQC和ODT意义

• DDR3新增管脚ZQ，接高精度240欧姆。意义是提供精准电阻参考，该电阻对芯片内温度不敏感。ZQC，就暗示ZQ电阻的calibration校准。
• ODT，是利用ZQ电阻值，实现精确的阻抗匹配。保证DDR PHY + PCB走线 + DDR SDRAM这一个系统数据通路的信号完整性，比如解决信号反射问题等。具体详见：《聊一聊DDR3中的ODT（On-die termination）》
• 总之，ZQC和ODT一起，在不同温度下，解决信号的完整性问题。

另外，关于ZQ校准，有两个命令：ZQCL （ZQ CALIBRATION LONG )和ZQ CALIBRATION SHORT (ZQCS)

• ZQCL主要用于系统上电初始化和器件复位，一次完整的ZQCL需要512个时钟周期，在随后（初始化和复位之后），校准一次的时间要减少到256周期。
• ZQCS在正常操作时跟踪连续的电压和温度变化，ZQCS需要64个时钟周期。

Write Leveling是什么？

Write Leveling的功能是调整DRAM颗粒端DQS信号和CLK信号边沿对齐。
只有使用了fly-by的情况下需使能write leveling。

所谓的fly-by 布线，指地址、命令和时钟（下图黄色单词看不清楚，是clk/addr/command的意思）的布线依次经过每一颗DDR memory芯片。而dq和dqs作了点到点的连接。VTT表示这些信号都接了ODT端接电阻。fly-by 结构相对于T布线，有助于降低同步切换噪声（Simultaneous Switching Noise）。

备注：下图是T型布线。

参考文章：
https://blog.csdn.net/tbzj_2000/article/details/88304245