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今天分享DDR相關知識。

1 什么是DDR

DDR是Double Data Rate的縮寫，即“雙比特翻轉”。DDR是一種技術，中國大陸工程師習慣用DDR稱呼用了DDR技術的SDRAM，而在中國臺灣以及歐美，工程師習慣用DRAM來稱呼。

DDR的核心要義是在一個時鐘周期內，上升沿和下降沿都做一次數據采樣，這樣400MHz的主頻可以實現800Mbps的數據傳輸速率。

2 每一代DDR的基本區別

3 關鍵技術解釋

3.1 VTT

VTT為DDR的地址線，控制線等信號提供上拉電源，上拉電阻是50Ω左右。VTT=1/2VDDQ，并且VTT要跟隨VDDQ，因此需要專用的電源同時提供VDDQ和VTT。例如芯片TPS51206DSQT，LP2996。用專門的電源芯片，還有一個重要的原因，在Fly-by的拓撲中，VTT提供電流，增強DDR信號線的驅動能力。

DDR的接收器是一個比較器，其中一端是VREF，另一端是信號，例如地址線A2在有VTT上拉的時候，A2的信號在0和1.8V間跳動，當A2電壓高于VTT時，電流流向VTT。當A2低于VTT時，VTT流向DDR。因此VTT需要有提供電流和吸收電流的能力，一般的開關電源不能作為VTT的提供者。此外，VTT電源相當于DDR接收器信號輸入端的直流偏執，且這個偏執等于VREF，因此VTT的噪聲要越小越好，否則當A2的狀態為高阻態時，DDR接收器的比較器容易產生誤觸發。

上文說過，VTT相當于DDR接收器的直流偏執，其實如果沒有VTT，這個直流偏執也存在，它在芯片的內部，提供電流的能力很弱。如果只有1個或2個DDR芯片，走Fly-by拓撲，那么不需要外部的VTT上拉。如果有2個以上的DDR芯片，則一定需要VTT上拉。

3.2 Prefetch

Prefetch字面意思就是預存取，每一代的DDR預存取大小不同，詳見第2章中表格。以DDR3為例，它的Prefetch=8n，相當于DDR的每一個IO都有一個寬度為8的buffer，從IO進來8個數據后，在第8個數據進來后，才把這8個數據一次性的寫入DDR內部的存儲單元。下圖是一個形象的解釋，同時我們關注一下幾個速率。DDR3的時鐘是800MHz，Data Rate是1600Mbps，由于這個Buffer的存在，DDR內部的時鐘只需要200MHz就可以了（注意DDR內部不是雙比特翻轉采樣）。

我們來做一個頻率對照表，如下：

DDR內部的最小存儲單元（1bit）是一個晶體管+一個電容，電容會放電，需要不斷的“刷新”（充電）才能保持正常的工作狀態，由于電容充放電需要時間，DDR內部的頻率受限于此，很難提高，目前技術一般在100~200MHz。因此需要用Prefetch技術來提內部數據高吞吐率（其實就是串并轉換原理）。Prefetch位寬的提高，是DDR2,3,4非常顯著的變化。

第一段提到，對于DDR3，在第8個數據進來后，FIFO滿了，然后才把這8個數據一次性的寫入DDR內部的存儲單元，那么必須要求DDR的內部時鐘和外部時鐘有一定的約束關系，FIFO滿的時候一定是以DQS下降沿采樣結束的，數據手冊中對DQS的下降沿與clk有一個建立時間和保持時間的約束要求的目的原來是這樣。

3.3 SSTL

SSTL（Stub Series Terminated Logic）接口標準也是JEDEC所認可的標準之一。該標準專門針對高速內存(特別是SDRAM)接口。SSTL規定了開關特點和特殊的端接方案。

SSTL標準規定了IC供電，IO的DC和AC輸入輸出門限，差分信號門限，Vref電壓等。SSTL_3是3.3V標準，SSTL_2是2.5V標準，SSTL_18是1.8V標準，SSTL_15是1.5V。

SSTL最大的特點是需要終端匹配電阻，也叫終端終結電阻，上拉到VTT（1/2VDDQ）。這個短接電阻最大的作用是為了信號完整性，特別是在1拖多的Fly-by走線拓撲下，還能增強驅動能力。

3.4 Bank

以下圖為例，一個Bank中包含若干個Array，Array相當于一個表單，選中“行地址”和“列地址”后，表單中的一個單元格就被選中，這個單元格就是一個bit。Bank中的所有Array的行地址是連在一起的，列地址也是。那么選中“行地址”和“列地址”后，將一起選中所有Array的bit。有多少個array，就有多少個bit被選中。以DDR3為例，Data線寬度是32，prefetch是8，那么Array就有32x8=256.內部一次操作會選中256bit的數據。

Bank數量越多，需要的Bank選擇線越多，DDR3有8個bank，需要3個BA信號BA0~2。BA，行地址，列地址共同組成了存儲單元的訪問地址，缺一不可。

3.5 DDR的容量計算

下圖是DDR3 1Gb的尋址配置，以其中128Mbx8為例說明，其中x8表示IO數據（DQ）位寬度。

我的理解是，這個page size更像是邏輯上的一個頁，并不是一個bank中，一行的所有bit，因為一行的所有bit要考慮prefetch寬度。

上表是JESD-3D中的表格，Row Address和Column Address都是真實需要尋址的地址，其他用途的地址比如A10，A12或者A11等并沒有計算在內。在計算時，不要因為有A13，就認為Column Address就是A0~A13。

3.6 Burst

Burst字面意思是突發，DDR的訪問都是以突發的方式連續訪問同一行的相鄰幾個單元。進行Brust時，需要有幾個參數：

Burst Length：一次突發訪問幾個列地址。

Read/Write: 是讀還是寫

Starting Column：從哪一列開始Burst

Burst：突發的順序。

下圖是DDR3中突發類型和順序，Burst是通過A12/BC#選擇的。但對于DDR，DDR2和DDR4，不一定就是通過A12/BC#，詳見PIN定義章節。

3.7 DDR的tRDC，CL，tAC

在實際工作中，Bank地址與相應的行地址是同時發出的，此時這個命令稱之為“行激活”（Row Active）。在此之后，將發送列地址尋址命令與具體的操作命令（是讀還是寫），這兩個命令也是同時發出的，所以一般都會以“讀/寫命令”來表示列尋址。根據相關的標準，從行有效到讀/寫命令發出之間的間隔被定義為tRCD，即RAS to CAS Delay（RAS至CAS延遲，RAS就是行地址選通脈沖，CAS就是列地址選通脈沖），我們可以理解為行選通周期。tRCD是DDR的一個重要時序參數，廣義的tRCD以時鐘周期（tCK，Clock Time）數為單位，比如tRCD=3，就代表延遲周期為兩個時鐘周期，具體到確切的時間，則要根據時鐘頻率而定，DDR3-800，tRCD=3，代表30ns的延遲。

接下來，相關的列地址被選中之后，將會觸發數據傳輸，但從存儲單元中輸出到真正出現在內存芯片的 I/O 接口之間還需要一定的時間（數據觸發本身就有延遲，而且還需要進行信號放大），這段時間就是非常著名的 CL（CAS Latency，列地址脈沖選通潛伏期）。CL 的數值與 tRCD 一樣，以時鐘周期數表示。如 DDR3-800，時鐘頻率為 100MHz，時鐘周期為 10ns，如果 CL=2 就意味著 20ns 的潛伏期。不過CL只是針對讀取操作。

由于芯片體積的原因，存儲單元中的電容容量很小，所以信號要經過放大來保證其有效的識別性，這個放大/驅動工作由S-AMP負責，一個存儲體對應一個S- AMP通道。但它要有一個準備時間才能保證信號的發送強度（事前還要進行電壓比較以進行邏輯電平的判斷），因此從數據I/O總線上有數據輸出之前的一個時鐘上升沿開始，數據即已傳向S-AMP，也就是說此時數據已經被觸發，經過一定的驅動時間最終傳向數據I/O總線進行輸出，這段時間我們稱之為 tAC（Access Time from CLK，時鐘觸發后的訪問時間）。

目前內存的讀寫基本都是連續的，因為與CPU交換的數據量以一個Cache Line（即CPU內Cache的存儲單位）的容量為準，一般為64字節。而現有的Rank位寬為8字節（64bit），那么就要一次連續傳輸8次，這就涉及到我們也經常能遇到的突發傳輸的概念。突發（Burst）是指在同一行中相鄰的存儲單元連續進行數據傳輸的方式，連續傳輸的周期數就是突發長度（Burst Lengths，簡稱BL）。

在進行突發傳輸時，只要指定起始列地址與突發長度，內存就會依次地自動對后面相應數量的存儲單元進行讀/寫操作而不再需要控制器連續地提供列地址。這樣，除了第一筆數據的傳輸需要若干個周期（主要是之前的延遲，一般的是tRCD+CL）外，其后每個數據只需一個周期的即可獲得。

突發連續讀取模式：只要指定起始列地址與突發長度，后續的尋址與數據的讀取自動進行，而只要控制好兩段突發讀取命令的間隔周期（與BL相同）即可做到連續的突發傳輸。

談到了突發長度時。如果BL=4，那么也就是說一次就傳送4×64bit的數據。但是，如果其中的第二筆數據是不需要的，怎么辦？還都傳輸嗎？為了屏蔽不需要的數據，人們采用了數據掩碼（Data I/O Mask，簡稱DQM）技術。通過DQM，內存可以控制I/O端口取消哪些輸出或輸入的數據。這里需要強調的是，在讀取時，被屏蔽的數據仍然會從存儲體傳出，只是在“掩碼邏輯單元”處被屏蔽。DQM由北橋控制，為了精確屏蔽一個P-Bank位寬中的每個字節，每個DIMM有8個DQM 信號線，每個信號針對一個字節。這樣，對于4bit位寬芯片，兩個芯片共用一個DQM信號線，對于8bit位寬芯片，一個芯片占用一個DQM信號，而對于 16bit位寬芯片，則需要兩個DQM引腳。

在數據讀取完之后，為了騰出讀出放大器以供同一Bank內其他行的尋址并傳輸數據，內存芯片將進行預充電的操作來關閉當前工作行。還是以上面那個Bank示意圖為例。當前尋址的存儲單元是B1、R2、C6。如果接下來的尋址命令是B1、R2、C4，則不用預充電，因為讀出放大器正在為這一行服務。但如果地址命令是B1、R4、C4，由于是同一Bank的不同行，那么就必須要先把R2關閉，才能對R4尋址。從開始關閉現有的工作行，到可以打開新的工作行之間的間隔就是tRP（Row Precharge command Period，行預充電有效周期），單位也是時鐘周期數。

3.8 ODT

ODT是內建核心的終結電阻，它的功能是讓一些信號在終結電阻處消耗完，防止這些信號在電路上形成反射。換句話說就是在片內設置合適的上下拉電阻，以獲得更好的信號完整性。被ODT校準的信號包括：

DQ, DQS, DQS# and DM for x4 configuration

DQ, DQS, DQS#, DM, TDQS and TDQS# for X8 configuration

DQU, DQL, DQSU, DQSU#, DQSL, DQSL#, DMU and DML for X16 configuration

當一個CPU掛了很多個DDR芯片的時候，他們是共用控制線，地址線的，走線肯定要分叉，如果沒有中端匹配電阻，肯定會產生信號完整性問題。那么如果只有一個DDR芯片的時候，需不需要呢？正常情況下，走線很短，有符合規則，是不需要的。

下圖是DDR中的IO上下拉電阻，RON是DDR的輸出結構的上下拉電阻，RTT是DDR輸入結構的上下拉電阻。這兩個電阻的阻值都是可調的。

下圖是RON的調節，注意這不是ODT的任務，調節是通過寄存器實現。

下圖是RTT的調節，是ODT要做的事情，而且RTT的檔位要多，也是通過寄存器調節的。

注意，DDR3的PIN定義上有一個引腳是ODT，如果ODT=0，DRAM Termination State功能關閉；ODT=1，DRAM Termination State的功能參考寄存器設置。如下是一個真值表。因為DRAM Termination State非常耗電，所以不用的時候最好不要打開。

3.9 DDR3的ZQ

ZQ信號在DDR3時代開始引入，要求在ZQ引腳放置一個240Ω±1%的高精度電阻到地，注意必須是高精度。而且這個電阻是必須的，不能省略的。進行ODT時，是以這個引腳上的阻值為參考來進行校準的。

校準需要調整內部電阻，以獲得更好的信號完整性，但是內部電阻隨著溫度會有些細微的變化，為了將這個變化糾正回來，就需要一個外部的精確電阻作為參考。詳細來講，就是為RTT和RON提供參考電阻。

3.10 OCD

OCD 是在 DDR-II 開始加入的新功能，而且這個功能是可選的，有的資料上面又叫離線驅動調整。OCD的主要作用在于調整 I/O 接口端的電壓，來補償上拉與下拉電阻值， 從而調整DQS 與 DQ 之間的同步確保信號的完整與可靠性。調校期間，分別測試 DQS 高電平和 DQ高電平，以及 DQS 低電平和 DQ 高電平的同步情況。如果不滿足要求，則通過設定突發長度的地址線來傳送上拉 / 下拉電阻等級（加一檔或減一檔），直到測試合格才退出 OCD 操作，通過 OCD 操作來減少 DQ 、 DQS的傾斜從而提高信號的完整性及控制電壓來提高信號品質。由于在一般情況下對應用環境穩定程度要求并不太高，只要存在差分 DQS時就基本可以保證同步的準確性， 而且 OCD 的調整對其他操作也有一定影響， 因此 OCD 功能在普通臺式機上并沒有什么作用，其優點主要體現在對數據完整性非常敏感的服務器等高端產品領域。

4 DDR3的PIN定義

下面是三星K4B4G0446Q/K4B4G0846Q的PIN定義，每一個都有很詳細的解釋。

以x8的配置為例，如下是其Ball Map。

一對時鐘線CK和CKn

數據線DQ0~DQ7共8位。

一對差分對DQS和DQSn

地址線A0~A15，其中，A10和A12有特殊用途。

行選中信號RASn

列選中信號CASn

寫使能Wen

片選CSn

Bank選擇BA0~2

一個Reset信號，是DDR3新增的一項重要功能，并為此專門準備了一個引腳。這一引腳將使DDR3的初始化處理變得簡單。當Reset命令有效時，DDR3 內存將停止所有的操作，并切換至最少量活動的狀態，以節約電力。在Reset期間，DDR3內存將關閉內在的大部分功能，所有數據接收與發送器都將關閉，且所有內部的程序裝置將復位，DLL（延遲鎖相環路）與時鐘電路將停止工作，甚至不理睬數據總線上的任何動靜。這樣一來，該功能將使DDR3達到最節省電力的目的。

ZQ和ODT PIN上文已經說明。

5 DDR的走線規則

DDR的信號線需要分組：

數據線一組（DQ,DQS,DQM），誤差控制在20mil以內；

控制線一組（Address，控制線，時鐘），以時鐘為中心，誤差控制在100mil以內。

審核編輯：湯梓紅