DDR3详解

1.DDR3简介

DDR3 SDRAM，全称第三代双倍速率同步动态随机存取存储器，简称 DDR3，双倍速率（double-data-rate），是指时钟的上升沿和下降沿都发生数据传输；同步，是指DDR3数据的读取写入是按时钟同步的；动态，是指DDR3中的数据掉电无法保存，且需要周期性的刷新，才能保持数据；随机，是指可以随机操作任一地址的数据。DDR3是当今较为常见的一种储存器，在计算机及嵌入式产品中得到广泛应用，特别是应用在涉及到大量数据交互的场合，比如电脑的内存条。其具有以下特点：1.掉电无法保存数据，需要周期性的刷新。2.时钟上升沿和下降沿都会传输数据。3.突发传输，突发长度Burst Length一般为8。当数据存入DDR3时先指定一个bank地址，再指定行地址，最后指定列地址。因此DDR3的存储容量计算公式为bank数×行数×列数×存储单元容量。举个例子，bank address位宽为3，Row address位宽为14，Column address为10，所以它的地址大小等于即 2^3* 2^14* 2^10=2^27=128M，数据位宽为16bit，所以容量大小为 128M*16bit，也就是 256MByte。

2.DDR3结构与原理
2.1DDR3结构解析

以我板子上的MT41K256M16TW-107 IT为例进行介绍，该芯片容量为512Mb，数据接口是 16bit，内存数据主频高达 1600MHZ，数据带宽可达 1600MHz*64bit。其模块组成如下图所示。

各端口的功能如下：

A[14:13], A12/BC#, A11, A10/AP, A[9:0]：地址输入——为ACTIVATE命令提供行地址，为READ/WRITE命令提供列地址和自动预充电位(A10)，以便从某个bank的内存阵列中选择一个位置。在PRECHARGE命令期间采样的A10决定PRECHARGE是否适用于一个bank(A10 LOW，由BA[2:0]选择bank)或所有bank(A10 HIGH)。地址输入还提供LOAD MODE命令期间的操作码。地址输入被引用到VREFCA。A12/ BC#:当在模式寄存器(MR)中启用时，在READ和WRITE命令期间对A12进行采样，以确定是否执行突发切碎(动态)(HIGH = BL8或无突发切碎，LOW = BC4)。

BA[2:0]：bank地址输入——BA[2:0]定义了激活、读、写或预充值命令被应用到的bank。BA[2:0]定义在LOAD mode命令期间加载哪个模式寄存器(MR0, MR1, MR2或MR3)。BA[2:0]的参考是VREFCA。

CK, CK#：时钟——CK和CK#是差分时钟输入。所有的控制和地址输入信号都在CK的正沿和CK#的负沿的交叉处采样。输出数据频闪(DQS, DQS#)参考CK和CK#的交叉点。

CKE：时钟使能——CKE使能(高电平)和禁用(低电平) DRAM内部电路和时钟。启用/禁用的具体电路取决于DDR3 SDRAM配置和工作模式。取CKE LOW提供PRECHARGE下电和SELF REFRESH操作(所有bank空闲)，或有效掉电(在任何bank中都是行有效)。CKE对于断电进入和退出以及自刷新进入都是同步的。对于自刷新退出，CKE是异步的。掉电期间，输入缓冲区(不包括CK、CK#、CKE、RESET#和ODT)被禁用。在SELF REFRESH期间禁用输入缓冲区(不包括CKE和RESET#)。CKE的参考是VREFCA。

CS#：片选信号——CS#使能(低)和禁止(高)命令解码器。当CS#为HIGH时，所有命令都被屏蔽。CS#为具有多个等级的系统提供了外部等级选择。CS#被认为是命令代码的一部分。CS#的参考是VREFCA。

LDM：输入数据掩码——LDM是一个低字节，用于写入数据的输入掩码信号。在写数据期间，当LDM与输入数据一起被HIGH采样时，低字节的输入数据被屏蔽。虽然LDM球只有输入，但LDM负载的设计与DQ和DQS球的负载相匹配。LDM的参考是VREFCA。

ODT：片上终止——ODT使能（高）和禁用(低) DDR3 SDRAM内部的终止电阻。当在正常操作中启用时，ODT仅应用于以下模块:DQ[15:0],LDQS, LDQS#,UDQS, UDQS#,LDM和x16的UDM;DQ0[7:0],DQS, DQS#,DM/TDQS, NF/TDQS#(当TDQS开启时);DQ[3:0],DQS, DQS#和DM用于x4。如果通过LOAD MODE命令禁用ODT输入，则忽略该输入。ODT的参考是VREFCA。

RAS#, CAS#, WE#：命令输入——RAS#、CAS#和WE#(以及CS#)定义要输入的命令，并引用到VREFCA。

RESET#：复位信号——Reset #是参考VSS的有源LOW CMOS输入。RESET#输入接收器是一个CMOS输入，定义为直流HIGH 0.8 × VDD和直流LOW 0.2 × VDDQ的轨对轨信号。断言是异步的。

UDM：输入数据掩码——UDM是一个上字节，写数据的输入掩码信号。当UDM与WRITE访问期间的输入数据一起被采样为HIGH时，上字节输入数据被屏蔽。虽然UDM球仅用于输入，但UDM加载的设计与DQ和DQS球的加载相匹配。UDM的参考是VREFCA。

DQ[7:0]：数据输入/输出——用于x16配置的双向数据总线的低字节。DQ[7:0] 的参考是VREFCA。

DQ[15:8]：数据输入/输出——用于x16配置的双向数据总线的上字节。DQ[15:8] 的参考是VREFCA。

LDQS, LDQS#：低字节数据频闪——带读数据的输出。与读数据边对齐。带写数据的输入。居中对齐以写入数据。

UDQS, UDQS#：高字节数据频闪——带读数据的输出。与读数据边对齐。带写数据的输入。DQS在写数据时居中对齐。

ZQ：输出驱动校准的外部参考，应连接240ohm到VSSQ。

2.2存储原理

存储原理示意图：行选与列选信号将使存储电容与外界间的传输电路导通，从而可进行放电（读取）与充电（写入）。另外，图中刷新放大器的设计并不固定，目前这一功能被并入读出放大器（Sense Amplifier ,简称S-AMP）；

2.3SDRAM初始化

DDR3 SDRAM必须以预定义的方式通电和初始化。64Mb SDRAM在Vdd和Vddq（同时）通电后初始化，并且时钟在DQM高和CKE高时稳定。在发出命令禁止或NOP以外的任何命令之前，需要100µs延迟。禁止或NOP命令可在100µs期间应用，并应至少持续到该期间结束。至少应用了一个命令禁止或NOP命令，一旦满足100µs延迟，应用预充电命令。所有bank都必须预充电。这将使所有bank处于空闲状态，之后必须执行至少两个自动刷新周期。自动刷新周期完成后，SDRAM即可进行模式寄存器编程。模式寄存器应在应用任何操作命令之前加载，因为它将在未知状态下通电。在加载模式寄存器命令之后，必须在任何命令之前至少发送一个NOP命令。下图为初始化时序图：

Prefetch

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）。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。预取的本质上是并串转换，通过并行方式提前取得数据再串行输出，这也符合“预取”的字面含义，即“把数据提前取出”。

2.4自刷新模式

对于DRAM大家都知道是使用电容存储电荷的，优势是使用的元器件较少，有得必有失，结果就是电容会放电，过一段时间电容存储的电荷会丢失，为了防止电容存储的电荷丢失，就是在电容存储器还没有丢失的时候把他存储的数据读出来，在重新写进去，这样电容存储的电荷又可以保存这样一段时间了，这个操作就被称为自刷新；自刷新操作不需要指定行列地址，芯片内会对地址自动替换，每次刷新一行，目前认为64ms电容的数据就会丢失，所以需要保证在64ms内对bank内所有单元均完成一次自刷新；此SDRAM一个bank有4096行，所以需要64ms/4096发送一个自刷新指令

2.5模式寄存器配置

模式寄存器(MR0-MR3)用于定义DDR3 SDRAM的各种可编程操作模式。模式寄存器在初始化过程中通过模式寄存器设置(MRS)命令编程，它保留存储的信息(MR0[8]除外，它是自清除的)，直到它被重新编程，RESET#变为LOW，设备断电。模式寄存器的内容可以通过重新执行MRS命令来改变。即使用户只想修改模式寄存器变量的一个子集，在发出MRS命令时也必须对所有变量进行编程。重新编程模式寄存器不会改变内存数组的内容，只要正确执行即可。MRS命令只能在所有银行空闲并处于预充值状态(满足RP且没有正在进行的数据突发)时发出(或重新发出)。MRS命令发出后，必须满足两个参数:t MRD和t MOD。控制器必须等待t MRD后才能发起后续的MRS命令。

突发长度由MR0定义[1:0]。对DDR3 SDRAM的读写访问是面向突发的，突发长度可编程为4(剁)模式，8(固定)模式，或在Read / write命令期间使用A12进行选择(动态)。突发长度决定了对于给定的READ或WRITE命令可以访问的列位置的最大数量。当READ/WRITE命令设置MR0[1:0]为01时，如果A12 = 0，则选择BC4模式。如果A12 = 1，则选择BL8模式。

2.6预充电

预充电预充电命令用于停用特定bank中的空行或所有bank中的空行。在发出预充电命令后的某个指定时间（trp），该bank将可用于后续行访问。输入A10确定是否对一个或所有bank进行预充电，如果只对一个bank进行预充电，输入BA0、BA1选择bank。当所有bank都要预充电时，输入BA0、BA1被视为“不在乎”。一旦bank已预充电，它将处于空闲状态，并且必须在向该bank出任何读或写命令之前激活。

2.7自刷新

SELF REFRESH命令用于保留DRAM中的数据，即使系统其余部分断电。当处于自刷新模式时，DRAM保留数据而不需要外部时钟。自刷新模式也是一种方便的方法，用于启用/禁用DLL以及在允许的同步操作范围内更改时钟频率。所有电源输入(包括VREFCA和VREFDQ)必须在进入/退出和自我刷新模式操作期间保持在有效水平。VREFDQ可能浮动或不驱动VDDQ/2，而在自我恢复。

2.8时钟频率与传输速率

关于DDR的时钟频率相关参数主要有如下三种：

内部时钟频率：核心频率，用于DDR内部cell（存储单元）的时钟
外部时钟频率：时钟频率，用于DDR的IO buffer的时钟，同时也是IO接口时钟，是通过核心频率倍频4倍得到
数据传输率：数据速率，单根数据线的数据传送次数

外部时钟频率=数据传输率/2。因为DDR是利用时钟的上升沿与下降沿均传输数据，所以DDR芯片的工作频率(时钟引脚的频率)为等效频率(传输频率)的一半

内部时钟频率=数据传输率/DDR的数据预取位数。对于DDR来说，预取数为2；对于DDR2来说，预取数为4；对于DDR3来说，预取数为8。

从part number中的speed 选项可知，-125 所支持的最小时钟周期 tCK = 1.25ns，对应芯片支持的最大 IO 时钟频率为 800MHz。

不同速度等级对应的时间参数如下：

表中data rate为单数据线的数据速率，DDR为双边沿传输，因此 -125 对应 1600 MT/s（Mega Transfers/s），有时也对应称此内存为 DDR3-1600

那么这片16位数据线内存的带宽为：1600MT/s∗16bit=25600Mbit/s=3200MB/s

3.DDR3工作时序

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。

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）。

3.1读时序

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。

非突发连续读模式

非突发连续读取模式：不采用突发传输而是依次单独寻址，此时可等效于BL=1，虽然可以让数据是连续的传输，但每次都要发送列地址与命令信息，控制资源占用极大。

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。举个例子，当BL=8时，原本读取8次数据需要发送8次地址，但在突发连续读取模式下只需要发送一次数据地址即可。

突发连续读模式（BL8）

突发连续读模式（BC4）

3.2写时序

WRITE突发由WRITE命令发起。使用WRITE命令提供起始列和银行地址，并为该访问启用或禁用自动预充电。如果选择了自动预充，则在WRITE突发结束时预充正在访问的行。如果未选择自动预充，则该行将保持打开状态以供后续访问。在发出WRITE命令后，WRITE突发可能不会中断。

在WRITE命令中，通过MR0[1:0] = 00或MR0[1:0] = 01和A12 = 1激活BL8设置T0和T4。

突发连续写模式（BL8）

在T0和T4的WRITE命令中，MR0[1:0] = 01和A12 = 0激活BC4设置

突发连续写模式（BC4）

3.3数据掩码

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。

读取时数据掩码操作，DQM在两个周期后生效，突发周期的第二笔数据被取消。写入时数据掩码操作，DQM立即生效，突发周期的第二笔数据被取消。

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。举个例子，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。