以下文章來源于郝旭帥電子設(shè)計團(tuán)隊，作者郝旭帥

本篇主要是SDRAM有效帶寬解析與估算

在進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計時，我們經(jīng)常會用到SDRAM(SDR SDRAM或者DDRX SDRAM)作為緩沖單元，但是如何評估SDRAM的有效帶寬呢(評估有效帶寬才能夠了解當(dāng)前緩沖單元以及驅(qū)動方式能否滿足我們的設(shè)計需求)?

SDRAM的“有效帶寬”指的是在實(shí)際系統(tǒng)中，扣除所有必要開銷后，能夠用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)際可用帶寬。它總是顯著低于理論峰值帶寬。

理論帶寬

公式：

理論峰值帶寬 = (時鐘頻率 × 數(shù)據(jù)總線位寬 × 數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)(每個時鐘周期傳輸?shù)腷it數(shù)：SDR為1，DDR為2)) / 8

單位通常是 字節(jié)/秒(B/s) 或 GB/s。

舉例：

一片 DDR3-1600，位寬為 16位(2字節(jié));

核心時鐘頻率：800 MHz

數(shù)據(jù)傳輸率(DRAM Frequency)：1600 MT/s(每秒百萬次傳輸)

理論峰值帶寬 = 800 × 10? × 2 x 16 /2 Bytes = 3200 MB/s = 3.2 GB/s

這個值通常被芯片廠商和市場宣傳所使用。

有效帶寬

SDRAM在進(jìn)行通信時，是無法每個時鐘周期都用于進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫的。

一次完整的訪問通常包含三步：

激活(Activate)： 將指定Bank的指定Row數(shù)據(jù)送到該Bank的“行緩沖器”。此操作功耗較高，延遲較大。

讀/寫(Read/Write)： 在行緩沖器中，根據(jù)列地址進(jìn)行精細(xì)的讀或?qū)懖僮鳌？梢赃B續(xù)進(jìn)行多個讀/寫(突發(fā)傳輸)。

預(yù)充電(Precharge)： 操作完成后，必須將行緩沖器的數(shù)據(jù)寫回原Row，并關(guān)閉該行，為激活新的行做準(zhǔn)備。

下面以SDR SDRAM為例：

在上述時序中可以清楚的看到：為了將四個數(shù)據(jù)寫入到SDRAM中使用了九個周期(包括了激活、寫入、關(guān)閉等)。

那么也就是說：有效帶寬只是理論帶寬的一半不到(4/9).

下面給出DDR3的波形圖：

與SDR SDRAM類似。

SDRAM在工作時，還需要定時進(jìn)行刷新操作以避免數(shù)據(jù)丟失。所以有效帶寬就會更低。

提高有效帶寬的幾種方式

在此只是根據(jù)單個芯片進(jìn)行說明(關(guān)于多芯片擴(kuò)位寬以及RANK，在此不再說明)。

1. 增大突發(fā)長度

在每次突發(fā)讀寫中，無論突發(fā)長度為多少，前面的激活和后面的預(yù)充電所占用的時間是相同的。

例：激活4+讀寫4+預(yù)充電4：那么有效帶寬為三分之一;如果激活4+讀寫8+預(yù)充電4：那么有效帶寬為二分之一。

說明：在SDR SDRAM中經(jīng)常采用此方法進(jìn)行提高有效帶寬(可以利用頁突發(fā)，幾乎可以達(dá)到百分之百)。在DDRX SDRAM中取消了頁突發(fā)，并且突發(fā)長度一般固定，所以此方法在DDRX SDRAM中失效。

2. 連續(xù)突發(fā)訪問

在SDRAM中，如果第一次操作和第二次操作處于同一個bank的同一行，那么第一次操作可以不用關(guān)閉，第二次操作可以不用打開(節(jié)省了一次關(guān)閉，一次激活)。

以SDR SDRAM的寫入為例：

第一次寫入沒有關(guān)閉，第二次寫入沒有激活。

在電子設(shè)計開發(fā)時，如果采用的是DDRX SDRAM，一般主控芯片會有IP 控制器，不用我們直接操作DDRX SDRAM。在配置時，注意一個選項：命令的順序。

建議選擇可以優(yōu)化(重新排列序號)。

例：第一次操作N行，第二次操作M行，第三次操作N行。因?yàn)榈谝淮魏偷诙翁幱诓煌校缘谝淮侮P(guān)閉了以后才可以激活第二次操作(完成上述操作需要三次激活、三次操作、三次關(guān)閉)。如果我們可以將第三次操作和第二次操作對調(diào)執(zhí)行順序，那么只需要兩次激活、三次操作、兩次關(guān)閉。

操作的數(shù)據(jù)量沒有改變，但是縮短了需要的時間。

3. 改變地址映射

在SDRAM中，如果第一次操作和第二次操作處于不同bank時，那么可以利用第一次操作關(guān)閉的時間來激活第二次操作。

以SDR SDRAM為例：

我們在使用SDRAM在進(jìn)行緩沖時，一般是使用連續(xù)的一塊地址(邏輯地址)，如果邏輯地址對應(yīng)的是：BANK ROW COL，那么將會出現(xiàn)用完ABANK的第一行，就會用ABANK的第二行(在同一個bank中，無法實(shí)現(xiàn)第一次操作的關(guān)閉和第二次操作的激活利用同一段時間)。如果邏輯地址對應(yīng)的是：ROW BANK COL，那么將會出現(xiàn)用完ABANK的第一行，就會用BBANK的第一行(此時第一次操作的關(guān)閉和第二次操作的激活利用的是同一段時間)。

評估有效帶寬

當(dāng)設(shè)計完控制器(IP控制器或自己設(shè)計控制器)后，可以自己寫一些邏輯進(jìn)行測試有效帶寬。

例：統(tǒng)計一秒鐘能夠?qū)懭攵嗌僮止?jié)，統(tǒng)計一秒鐘能夠讀出多少字節(jié)。

說明：

1. 有效帶寬和地址的改變規(guī)律有一定的關(guān)系。

2. 測量時，應(yīng)該保證最大限度的給予命令或命令(反例：控制器能夠五個周期寫入一個數(shù)據(jù)，測量者10個周期才給與一個數(shù)據(jù))。

設(shè)計注意事項

務(wù)必保證有效帶寬在你的設(shè)計需求之上，否則項目就會出現(xiàn)崩盤。