2018年10月14日 | Exynos4412裸机SDRAM工作原理及时序分析

下一节准备将代码重定位到DDR SDRAM，所以本节先对一些基础知识进行学习一下。

DDR出身自SDRAM，严格的说应该叫DDR SDRAM，DDR SDRAM是Double Data Rate SDRAM的缩写，是双倍速率同步动态随机存储器的意思，所以，有很大一部分，两者是一样的，理解SDRAM，然后再来理解DDR。在SDRAM上的改进，效果应该更好一些，本文参考大神Tekkaman Ninja的博客中介绍的，并加入了一些自己的讲解。

先上一张SDRAM的结构图，如下图所示

SDRAM结构图

下面上一张简易的SDRAM工作流程图

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。在数据读写时和表格的检索原理一样，先指定一个行（ROW），在指定一个列（COL），我们就可以准确的找到所需要的单元格，这就是内存芯片寻址的基本原理。这个单元格（存储阵列）就叫做逻辑BANK（简称L-Bank）。

SDRAM是多Bank结构，例如在一个具有两个Bank的SDRAM的模组中，其中一个Bank在进行预充电期间，另一个Bank却马上可以被读取，这样当进行一次读取后，又马上去读取已经预充电Bank的数据时，就无需等待而是可以直接读取了，这也就大大提高了存储器的访问速度。

为了实现这个功能，SDRAM需要增加对多个Bank的管理，实现控制其中的Bank进行预充电。在一个具有2个以上Bank的SDRAM中，一般会多一根叫做BAn的引脚，用来实现在多个Bank之间的选择。另外它们的行、列地址线共用，由行地址选通（（CAS）、列地址选通（RAS）信号分时控制。

SDRAM简易工作流程图

图中用红色标明的就是我们需要找的几个主要时间，现在开始看图说话

1、芯片初始化

SDRAM 芯片内部有一个逻辑控制单元，并且有一个模式寄存器为其提供控制参数。因此，每次开机时都要先对这个控制逻辑核心进行初始化。

2、行有效 

初始化完成后，要想对一个 L-Bank 中的阵列进行寻址，首先就要确定行（Row），使之处于活动状态（Active），然后再确定列。简单点理解就先传行地址过来。

3、列读写

行地址确定之后，就要对列地址进行寻址了。读写的信号和列地址是同时发过来的，读写的操作取决于WE#引脚，当他使能则为写，否则为读。

在发送列读写命令时必须要与行有效命令有一个间隔，这个间隔被定义为 tRCD，即RAS to CAS Delay（RAS 至 CAS 延迟），大家也可以理解为行选通周期，简单点理解就是说，在发完行地址后，再发列地址和读写信号时，需要延迟一下，这应该是根据芯片存储阵列电子元件响应时间（从一种状态到另一种状态变化的过程）所制定的延迟。

广义的 tRCD 以时钟周期（tCK，Clock Time）数为单位，比如 tRCD=2，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，对于PC100 SDRAM，tRCD=2，代表1000/100 * 2 = 20ns 的延迟，下图是tRCD=3的时序图。

SDRAM 时序图 tRCD说明

4、数据输出（读）

在选定列地址后，就已经确定了具体的存储单元，剩下的事情就是数据通过数据 I/O 通道（DQ）输出到内存总线上了。

但是在CAS发出之后，仍要经过一定的时间才能有数据输出，从CAS与读取命令发出到第一笔数据输出的这段时间，被定义为 CL（CAS Latency，CAS潜伏期）。由于CL只在读取时出现，所以 CL 又被称为读取潜伏期（RL，Read Latency），下图是CL=2的示意图。

SDRAM 时序图 CL说明

5、数据输入（写）

数据写入的操作也是在 tRCD 之后进行，但此时没有了 CL（记住，CL 只出现在读取操作中），行寻址与列寻址的时序图和上文一样，只是在列寻址时，WE#为有效状态。 为了保证数据的可靠写入，都会留出足够的写入/校正时间（tWR，Write Recovery Time），这个操作也被称作写回（Write Back）。tWR 至少占用一个时钟周期或再多一点（时钟频率越高，tWR 占用周期越多）

6、突发长度--(Burst Lengths)

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，连续传输所涉及到存储单元（列）的数量就是突发长度（Burst Lengths，简称 BL）。 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。

7、预充电

由于 SDRAM 的寻址具体独占性，所以在进行完读写操作后，如果要对同一个Bank的另一行进行寻址，就要将原来有效（工作）的行关闭，重新发送行/列地址。Bank 关闭现有工作行，准备打开新行的操作就是预充电（Precharge）。 在发出预充电命令之后，要经过一段时间才能允许发送 RAS 行有效命令打开新的工作行，这个间隔被称为tRP（Precharge command Period，预充电有效周期）。和 tRCD、CL 一样，tRP 的单位也是时钟周期数，具体值视时钟频率而定。

8、刷新

之所以称为 DRAM，就是因为它要不断进行刷新（Refresh）才能保留住数据，因此它是 DRAM 最重要的操作。刷新操作与预充电中重写的操作一样，都是用 S-AMP 先读再写。 但为什么有预充电操作还要进行刷新呢？因为预充电是对一个或所有L-Bank 中的工作行操作，并且是不定期的，而刷新则是有固定的周期，依次对所有行进行操作，以保留那些久久没经历重写的存储体中的数据。但与所有 L-Bank 预充电不同的是，这里的行是指所有 L-Bank 中地址相同的行，而预充电中各 L-Bank 中的工作行地址并不是一定是相同的。比如我有四片，刷新是我依次刷新四片内存中的某个地址，然后再刷下一个；而预充电的工作行地址可以不同。

那么要隔多长时间重复一次刷新呢？目前公认的标准是，存储体中电容的数据有效保存期上限是64ms（毫秒，1/1000 秒），也就是说每一行刷新的循环周期是 64ms。这样刷新速度就是：行数量/64ms。我们在看内存规格时，经常会看到 4096 RefreshCycles/64ms 或 8192RefreshCycles/64ms 的标识，这里的 4096 与 8192 就代表这个芯片中每个 L-Bank 的行数。刷新命令一次对一行有效，发送间隔也是随总行数而变化，4096 行时为 15.625μs（微秒，1/1000 毫秒），8192 行时就为 7.8125μs。

刷新操作分为两种：自动刷新（Auto Refresh，简称 AR）与自刷新（Self Refresh，简称 SR）。

SR 则主要用于休眠模式低功耗状态下的数据保存，这方面最著名的应用就是 STR（Suspend to RAM，休眠挂起于内存）。在发出 AR 命令时，将 CKE 置于无效状态，就进入了 SR 模式，此时不再依靠系统时钟工作，而是根据内部的时钟进行刷新操作。在 SR 期间除了 CKE 之外的所有外部信号都是无效的（无需外部提供刷新指令），只有重新使 CKE 有效才能退出自刷新模式并进入正常操作状态。