SDRAM简介

Posted 2022-03-09 学工科的皮皮志^_^

文章目录

• 前言
• 一、内存的工作原理
• • 1.1 FLASH
• 二、SDRAM内存模组与基本结构
• • 2.1、物理 Bank
  • 2 2、芯片位宽
• 三、 SDRAM的逻辑Bank与芯片容量表示方法
• • 3.1 内存芯片的容量
• 四、SDRAM的引脚与封装
• 总结

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前言

了解SDRAM之前我们先了解一下ROM、RAM、DRAM、SRAM和FLASH的一些基础知识
参考博文：ROM、RAM、DRAM、SRAM和FLASH的区别

ROM和RAM指的都是半导体存储器，ROM在系统停止供电的时候仍然可以保持数据，而RAM通常都是在掉电之后就丢失数据，典型的RAM就是计算机的内存。

RAM有两大类，一种称为静态RAM（Static RAM/SRAM），SRAM速度非常快，是目前读写最快的存储设备了，但是它也非常昂贵，所以只在要求很苛刻的地方使用，譬如CPU的一级缓冲，二级缓冲。另一种称为动态RAM（Dynamic RAM/DRAM），DRAM保留数据的时间很短，速度也比SRAM慢，不过它还是比任何的ROM都要快，但从价格上来说DRAM相比SRAM要便宜很多，计算机内存就是DRAM的。

DRAM分为很多种，常见的主要有FPRAM/FastPage、EDORAM、SDRAM、DDR RAM、RDRAM、SGRAM以及WRAM等，这里介绍其中的一种DDR RAM。

DDR RAM（Date-Rate RAM）也称作DDR SDRAM，这种改进型的RAM和SDRAM是基本一样的，不同之处在于它可以在一个时钟读写两次数据，这样就使得数据传输速度加倍了。这是目前电脑中用得最多的内存。在很多高端的显卡上，也配备了高速DDR RAM来提高带宽，这可以大幅度提高3D加速卡的像素渲染能力。

一、内存的工作原理

内存工作原理：

内存是用来存放当前正在使用的（即执行中）的数据和程序，我们平常所提到的计算机的内存指的是动态内存（即DRAM），动态内存中所谓的==“动态”==，指的是当我们将数据写入DRAM后，经过一段时间，数据会丢失，因此需要一个额外设电路进行内存刷新操作。

具体的工作过程是这样的：一个DRAM的存储单元存储的是0还是1取决于电容是否有电荷，有电荷代表1，无电荷代表0。但时间一长，代表1的电容会放电，代表0的电容会吸收电荷，这就是数据丢失的原因；刷新操作定期对电容进行检查，若电量大于满电量的1／2，则认为其代表1，并把电容充满电；若电量小于1／2，则认为其代表0，并把电容放电，藉此来保持数据的连续性。

ROM也有很多种，PROM是可编程的ROM，PROM和EPROM（可擦除可编程ROM）两者区别是，PROM是一次性的，也就是软件灌入后，就无法修改了，这种是早期的产品，现在已经不可能使用了，而EPROM是通过紫外光的照射擦出原先的程序，是一种通用的存储器。另外一种EEPROM是通过电子擦出，价格很高，写入时间很长，写入很慢。

1.1 FLASH

FLASH存储器又称闪存，它结合了ROM和RAM的长处，不仅具备电子可擦除可编程（EEPROM）的性能，还不会断电丢失数据同时可以快速读取数据（NVRAM的优势），U盘和MP3里用的就是这种存储器。在过去的20年里，嵌入式系统一直使用ROM（EPROM）作为它们的存储设备，然而近年来Flash全面代替了ROM（EPROM）在嵌入式系统中的地位，它用作存储Bootloader以及操作系统或者程序代码，或者直接当硬盘使用（U盘）。
目前Flash主要有NOR Flash和NADN Flash。

二、SDRAM内存模组与基本结构

接下来我们回归正题，回到SDRAM，我们平时看到的 SDRAM 都是以模组形式出现，为什么要做成这种形式呢？这首先要接触到两个概念：
物理 Bank 与芯片位宽。

2.1、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。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）。当时控制内存与 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，而这个位宽就称之为物理 Bank（Physical Bank，下文简称 P-Bank）的位宽。所以，那时的内存必须要组织成 P-Bank 来与 CPU打交道。
资格稍老的玩家应该还记得 Pentium 刚上市时， 需要两条 72pin 的 SIMM 才能启动， 因为一条 72pin -SIMM 只能提供 32bit 的位宽，不能满足 Pentium 的 64bit 数据总线的需要。直到 168pin-SDRAM DIMM 上市后，才可以使用一条内存开机。下面将通过芯片位宽的讲述来进一步解释 P-Bank 的概念。 不过要强调一点， P-Bank 是 SDRAM 及以前传统内存家族的特有概念， 在RDRAM 中将以通道 （Channel）取代，而对于像 Intel E7500 那样的并发式多通道 DDR 系统，传统的 P-Bank 概念也不适用。
说了那么多总结就是内存要组成一个和CPU数据总线位宽相同的东西才能和CPU进行数据传输，而由这个由多个内存构成的东西就是物理bank.

2 2、芯片位宽

上文已经讲到SDRAM内存系统必须要组成一个P-Bank的位宽， 才能使CPU正常工作， 那么这个P-Bank位宽怎么得到呢？这就涉及到了内存芯片的结构。
每个内存芯片也有自己的位宽，即每个传输周期能提供的数据量。理论上，完全可以做出一个位宽为64bit 的芯片来满足 P-Bank 的需要，但这对技术的要求很高，在成本和实用性方面也都处于劣势。所以芯片的位宽一般都较小。台式机市场所用的 SDRAM 芯片位宽最高也就是 16bit，常见的则是 8bit。这样，为了组成 P-Bank 所需的位宽，就需要多颗芯片并联工作。对于 16bit 芯片，需要 4 颗（4×16bit=64bit）。对于 8bit 芯片，则就需要 8 颗了。

以上就是芯片位宽、芯片数量与 P-Bank 的关系。P-Bank 其实就是一组内存芯片的集合，这个集合的容量不限，但这个集合的总位宽必须与 CPU 数据位宽相符。随着计算机应用的发展，一个系统只有一个P-Bank 已经不能满足容量的需要。所以，芯片组开始可以支持多个 P-Bank，一次选择一个 P-Bank 工作，这就有了芯片组支持多少（物理）Bank 的说法。而在 Intel 的定义中，则称 P-Bank 为行（Row），比如845G 芯片组支持 4 个行， 也就是说它支持 4 个 P-Bank。 另外， 在一些文档中， 也把 P-Bank 称为 Rank （列） 。

三、 SDRAM的逻辑Bank与芯片容量表示方法

讲完 SDRAM 的外在形式，就该深入了解 SDRAM 的内部结构了。这里主要的概念就是逻辑 Bank。简单地说，SDRAM 的内部是一个存储阵列。因为如果是管道式存储（就如排队买票），就很难做到随机访问
了。 阵列就如同表格一样，将数据“填”进去，你可以把它想象成一张表格。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）叫什么呢？它就是逻
辑 Bank（Logical Bank，下文简称 L-Bank）。

由于技术、成本等原因，不可能只做一个全容量的 L-Bank，而且最重要的是，由于 SDRAM 的工作原理限制，==单一的 L-Bank 将会造成非常严重的寻址冲突，大幅降低内存效率（在后文中将详细讲述）。所以人们在 SDRAM 内部分割成多个 L-Bank，较早以前是两个，目前基本都是 4 个，这也是 SDRAM 规范中的最高 L-Bank 数量。==到了 RDRAM 则最多达到了 32 个，在最新 DDR-Ⅱ的标准中，L-Bank 的数量也提高到了 8 个。

这样，在进行寻址时就要先确定是哪个 L-Bank，然后再在这个选定的 L-Bank 中选择相应的行与列进行寻址。可见对内存的访问，一次只能是一个 L-Bank 工作，而每次与北桥交换的数据就是 L-Bank 存储阵列中一个“存储单元”的容量。在某些厂商的表述中，将 L-Bank 中的存储单元称为 Word（此处代表位的集合而不是字节的集合）。
从前文可知，SDRAM 内存芯片一次传输率的数据量就是芯片位宽，那么这个存储单元的容量就是芯片的位宽（也是 L-Bank 的位宽），但要注意，这种关系也仅对 SDRAM 有效，原因将在下文中说明。

3.1 内存芯片的容量

现在我们应该清楚内存芯片的基本组织结构了。那么内存的容量怎么计算呢？显然，内存芯片的容量就是所有 L-Bank 中的存储单元的容量总合。计算有多少个存储单元和计算表格中的单元数量的方法一样：
==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 ==
在很多内存产品介绍文档中， 都会用M×W的方式来表示芯片的容量 （或者说是芯片的规格/组织结构） 。M 是该芯片中存储单元的总数，单位是兆（英文简写 M，精确值是 1048576，而不是 1000000），W 代表每个存储单元的容量，也就是 SDRAM 芯片的位宽（Width），单位是 bit。计算出来的芯片容量也是以 bit。
为单位，但用户可以采用除以 8 的方法换算为字节（Byte）。比如 8M×8，这是一个 8bit 位宽芯片，有 8M个存储单元，总容量是 64Mbit（8MB）。

不过，M×W 是最简单的表示方法。下图则是某公司对自己内存芯片的容量表示方法，这可以说是最正规的形式之一。

我们可以计算一下，结果可以发现这三个规格的容量都是 128Mbits，只是由于位宽的变化引起了存储单元的数量变化。从这个例子就也可以看出，在相同的总容量下，位宽可以采用多种不同的设计。

四、SDRAM的引脚与封装

内存芯片要想工作，必须要与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作为触发参考。因此，SDRAM 在封装时就要留出相应的引脚以供使用。电源与时钟的引脚就不必多说了，现在我们可以想象一下，至少应该有哪些控制引脚呢？
我们从内存寻址的步骤缕下来就基本明白了，从中我们也就能了解内存工作的大体情况。这里需要说明的是，与 DIMM 一样，SDRAM 有着自己的业界设计规范，在一个容量标准下，SDRAM 的引脚/信号标准不能只考虑一种位宽的设计，而是要顾及多种位宽，然后尽量给出一个通用的标准，小位宽的芯片也许会空出一些引脚，但高位宽的芯片可能就全部用上了。不过容量不同时，设计标准也会有所不同，一般的容量越小的芯片所需要的引脚也就越小。
1、 首先，我们知道内存控制器要先确定一个 P-Bank 的芯片集合，然后才对这集合中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 P-Bank 的芯片集（根据位宽的不同，数量也不同）。被选中的芯片将同时接收或读取数据，所以要有一个片选信号。
2、 接下来是对所有被选中的芯片进行统一的L-Bank的寻址， 目前SDRAM中L-Bank的数量最高为 4 个，
所以需要两个L-Bank地址信号（2*2=4）。
3、 最后就是对被选中的芯片进行统一的行/列（存储单元）寻址。地址线数量要根据芯片的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而变化，位宽越大，列数越少，因为所需的存储单元减少了。
4、 找到了存储单元后，被选中的芯片就要进行统一的数据传输，那么肯定要有与位宽相同数量的数据 I/O 通道才行，所以肯定要有相应数量的数据线引脚。
现在我们就基本知道了内存芯片的一些信号引脚，下图就是一个简单的 SDRAM 示意图，大家可以详细看看。


根据 SDRAM 的官方规范，台式机上所用的 SDRAM 在不同容量下的各种位宽封装标准如下：

总结

上文我们已经了解了 SDRAM 所用到的基本信号线路，下面就看看它们在 SDRAM 芯片内部是怎么“布置”的，并从这里开始深入了解内存的基本操作与过程，在这一节中我们将接触到有天书之称的时序图。这里就不深究了（tips:我也看不懂）
上文出处来自：《高手进阶，终极内存技术指南》，大家感兴趣一定看一下，讲的很好。我这里做个简介。
参考博文：
SDRAM详细介绍
相信我，SDRAM真的不难----汇总篇（直达链接）