DDR3 内存计算详解

Posted 2021-03-04 zhemeshenqi

首先，我们先了解一下内存的大体结构工作流程，这样会比较容量理解这些参数在其中所起到的作用。这部分的讲述运用DDR3的简化时序图。

   DDR3的内部是一个存储阵列，将数据“填”进去，你可以它想象成一张表格。和表格的检索原理一样，先指定一个行（Row），再指定一个列（Column），我们就可以准确地找到所需要的单元格，这就是内存芯片寻址的基本原理。对于内存，这个单元格可称为存储单元,那么这个表格（存储阵列）就是逻辑 Bank（Logical Bank，下面简称Bank）。 

DDR3内部Bank示意图，这是一个NXN的阵列，B代表Bank地址编号，C代表列地址编号，R代表行地址编号。

如果寻址命令是B1、R2、C6，就能确定地址是图中红格的位置

目前DDR3内存芯片基本上都是8个Bank设计，也就是说一共有8个这样的“表格”。

寻址的流程也就是先指定Bank地址，再指定行地址，然后指列地址最终的确寻址单元。

 

目前DDR3系统而言，还存在物理Bank的概念，这是对内存子系统的一个相关术语，并不针对内存芯片。内存为了保证CPU正常工作，必须一次传输完CPU 在一个传输周期内所需要的数据。而CPU在一个传输周期能接受的数据容量就是CPU数据总线的位宽，单位是bit(位)。控制内存与CPU之间数据交换的北桥芯片也因此将内存总线的数据位宽等同于CPU数据总线的位宽，这个位宽就称为物理Bank（Physical Bank，有的资料称之为Rank）的位宽。目前这个位宽基本为64bit。

在实际工作中，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（是读还是写），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），我们可以理解为行选通周期。tRCD是DDR的一个重要时序参数，广义的tRCD以时钟周期（tCK，Clock Time）数为单位，比如tRCD=3，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，DDR3-800，tRCD=3，代表30ns的延迟。

                     图中显示的是tRCD=3

 

接下来，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 DDR3-800，时钟频率为 100MHz，时钟周期为 10ns，如果 CL=2 就意味着 20ns 的潜伏期。不过CL只是针对读取操作。

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S-AMP负责，一个存储体对应一个S- AMP通道。但它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S-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，这段时间我们称之为 tAC（Access Time from CLK，时钟触发后的访问时间）。

                      图中标准CL=2，tAC=1

 

  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Rank位宽为8字节（64bit），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。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。

谈到了突发长度时。如果BL=4，那么也就是说一次就传送4×64bit的数据。但是，如果其中的第二笔数据是不需要的，怎么办？还都传输吗？为了屏蔽不需要的数据，人们采用了数据掩码（Data I/O Mask，简称DQM）技术。通过DQM，内存可以控制I/O端口取消哪些输出或输入的数据。这里需要强调的是，在读取时，被屏蔽的数据仍然会从存储体传出，只是在“掩码逻辑单元”处被屏蔽。DQM由北桥控制，为了精确屏蔽一个P-Bank位宽中的每个字节，每个DIMM有8个DQM 信号线，每个信号针对一个字节。这样，对于4bit位宽芯片，两个芯片共用一个DQM信号线，对于8bit位宽芯片，一个芯片占用一个DQM信号，而对于 16bit位宽芯片，则需要两个DQM引脚。

 

在数据读取完之后，为了腾出读出放大器以供同一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。还是以上面那个Bank示意图为例。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。

 

在不同Bank间读写也是这样，先把原来数据写回，再激活新的Bank/Row。

数据选取脉冲（DQS）

DQS 是DDR中的重要功能，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，DQS生成时，芯片内部的预取已经完毕了，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。

DQS 在读取时与数据同步传输，那么接收时也是以DQS的上下沿为准吗？不，如果以DQS的上下沿区分数据周期的危险很大。由于芯片有预取的操作，所以输出时的同步很难控制，只能限制在一定的时间范围内，数据在各I/O端口的出现时间可能有快有慢，会与DQS有一定的间隔，这也就是为什么要有一个tAC规定的原因。而在接收方，一切必须保证同步接收，不能有tAC之类的偏差。这样在写入时，芯片不再自己生成DQS，而以发送方传来的DQS为基准，并相应延后一定的时间，在DQS的中部为数据周期的选取分割点（在读取时分割点就是上下沿），从这里分隔开两个传输周期。这样做的好处是，由于各数据信号都会有一个逻辑电平保持周期，即使发送时不同步，在DQS上下沿时都处于保持周期中，此时数据接收触发的准确性无疑是最高的。

在写入时，以DQS的高/低电平期中部为数据周期分割点，而不是上/下沿，但数据的接收触发仍为DQS的上/下沿

 

 

 

3.容量的计算

 

上图为X8data的单颗DDR3架构图，行（Row）地址线复用14根，列（Column）地址线复用10根，Bank数量为8个，IO Buffer 通过8组数位线（DQ0-DQ7）来完成对外的通信，故此单颗DDR3芯片的容量为2的14次方乘2的10次方乘8乘8，结果为1Gbit，因为1B包含8bit，1GB/8=128MB。

如果我们要做成容量为1GB的内存条则需要8颗这样的DDR3内存芯片，每颗芯片含8根数位线（DQ0-DQ7）则总数宽为64bit，这样正好用了一个Rank。

假果还用128MB的DDR3芯片去做2GB内存条，结果就会有所不同。我们最好选用4根数位线（DQ0-DQ3），数量是16颗，这样也是用了一个Rank。

在K2的项目中我们要做容量为8GB的内存条，则数量用64颗128M的DDR3，这样位宽高达64X4=256bit，要做成4个Rank。

 

DDR简要概念说明

严 格的说DDR应该叫DDR SDRAM，是Double Data Rate SDRAM(synchronous dynamic random access memory，同步动态随机存储器)的缩写，同步是指其时钟频率与CPU前端总线的系统时钟频率相同，动态是指存储阵列需要不断刷新来保证数据不丢失，随 机是指数据可随机存储和访问。
    SDRAM在一个时钟周期内只传输一次数据，它是在时钟的上升期进行数据传输；而DDR内存则是一个时钟周期内传输两次数据，它能够在时钟的上升期和下降期各传输一次数据，因此称为双倍速率同步动态随机存储器。
    DRAM 制造商的一些资料中显示，内存至少要每64ms刷新一次，这也就意味着内存有1％的时间要用来刷新。内存的自动刷新对于内存厂商来说不是一个难题，而关键 在于当对内存单元进行读取操作时保持内存的内容不变，所以DRAM单元每次读取操作之后都要进行刷新：执行一次回写操作，因为读取操作也会破坏内存中的电 荷，也就是说对于内存中存储的数据是具有破坏性的。所以内存不但要每64ms刷新一次，每次读操作之后也要刷新一次。

    接着说明几个SDRAM的概念：
1，物理BANK：传统内存系统为了保证CPU 的正常工作，必须一次传输完CPU 在一个传输周期内所需要的数据。那时的内存必须要组织成P-Bank 来与CPU 打交道，所以会出现两根32bit的内存搭配才能跟64bit的奔腾CPU开机成功。
2，芯片位宽：为了组成P-Bank所需的位宽，就需要多颗芯片并联工作。组成64bit，对于16bit芯片，需要4 颗（4×16bit=64bit）。对于8bit 芯片，则就需要8 颗了。
3，逻辑BANK：Logical Bank，SDRAM 的内部是一个存储阵列。阵列就如同表格一样，将数据“填”进去，你可以它想象成一张表格。单一的L-Ban k将会造成非常严重的寻址冲突，大幅降低内存效率，所以人们在内部分割成多个L-Bank。

4，内存芯片容量：存储单元数量=行数×列数（得到一个L-Bank的存储单元数量）×L-Bank的数量，比如128Mbit：2M x 16Bit x 4 Banks：第一个数目是行列相乘的矩阵单元数目，第二个数目是单个存储体的位宽，第三个是逻辑BANK数目。