SDRAM控制器詳解

SDRAM的基本概念

SDRAM憑借其極高的性價(jià)比，廣泛應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)圖像處理等設(shè)計(jì)當(dāng)中，但是相對(duì)于SRAM、FIFO等其他存儲(chǔ)器件，SDRAM的控制相對(duì)復(fù)雜。雖說是復(fù)雜，但也不代表沒辦法實(shí)現(xiàn)，仔細(xì)梳理一下，發(fā)現(xiàn)SDRAM的控制其實(shí)也沒這么難。本文就SDRAM的基本概念以及其工作流程做簡(jiǎn)要介紹。

SDRAM 的基本信號(hào)：

SDRAM 的基本信號(hào)（電源以及地線在這里不討論）可以分成以下三類，分別是控制信號(hào)、地址選擇信號(hào)以及數(shù)據(jù)信號(hào)：

（1）控制信號(hào)：包括片選（CS）、同步時(shí)鐘（CLK）、時(shí)鐘有效（CLKE）、讀寫選擇（/WE）、

數(shù)據(jù)有效（DQM）等；

（2）地址選擇信號(hào)：包括行地址選擇（/RAS）、列地址選擇（/CAS）、行/列地址線（A0－A12）分時(shí)復(fù)用、Bank 塊地址線（BA0－BA1）；

（3）數(shù)據(jù)信號(hào)：包括雙向數(shù)據(jù)端口（DQ0－DQ15）、接收數(shù)據(jù)有效信號(hào)（DQM）控制等。DQM 為低時(shí)，寫入/讀出有效。

圖1 SDRAM 管腳基本信息

SDRAM相關(guān)指令以及關(guān)鍵參數(shù)解析

圖2 SDRAM相關(guān)指令

上圖中，把SDRAM用到的所有指令都羅列出來了，其實(shí)我們?cè)谶\(yùn)用SDRAM的時(shí)候，只用到其中部分指令。例如其中write/write with autoprecharge，這兩個(gè)指令我們都可以對(duì)SDRAM進(jìn)行寫操作，只是說在” writewith autoprecharge”指令，我們每寫完一個(gè)突發(fā)長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)之后，SDRAM會(huì)自動(dòng)跳出這個(gè)狀態(tài)進(jìn)行刷新，而在”write”指令，是需要給相應(yīng)的指令之后才會(huì)跳出”WRITE”狀態(tài)的，所以為了提高SDRAM的運(yùn)行速度，我們一般采用write指令來提高速度。當(dāng)然”read”和”read with autoprecharge”這兩個(gè)指令的區(qū)別也是這樣的。

常用指令：

讀（read）

在發(fā)送列讀寫命令時(shí)必須要與行有效命令有一個(gè)間隔，這個(gè)間隔被定義為tRCD，即

RAS to CAS Delay（RAS 至CAS 延遲），大家也可以理解為行選通周期，這應(yīng)該是根據(jù)芯片存儲(chǔ)陣列電子元件響應(yīng)時(shí)間（從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)變化的過程）所制定的延遲。下圖3中給出了，SDRAM讀的相關(guān)時(shí)序。

圖3 SDRAM讀時(shí)序

SDRAM讀時(shí)序，簡(jiǎn)單概括起來就是：1.激活行--à2.選通列-à3.預(yù)充電，關(guān)閉所在行--à下一次指令。

寫（write）

圖4 SDRAM寫時(shí)序

預(yù)充電（precharge）

由于SDRAM 的尋址具有獨(dú)占性，所以在進(jìn)行完讀寫操作后，如果要對(duì)同一L-Bank 的另一行進(jìn)行尋址，就要將原來有效（工作） 的行關(guān)閉，重新發(fā)送行/列地址。L-Bank 關(guān)閉現(xiàn)有工作行，準(zhǔn)備打開新行的操作就是預(yù)充電（Precharge）。在發(fā)出預(yù)充電命令之后，要經(jīng)過一段時(shí)間才能允許發(fā)送RAS 行有效命令打開新的工作行，這個(gè)間隔被稱為tRP（Precharge command Period，預(yù)充電有效周期）。和tRCD、CL 一樣，tRP的單位也是時(shí)鐘周期數(shù)，具體值視時(shí)鐘頻率而定。

自動(dòng)刷新（auto refresh）

之所以稱為DRAM，就是因?yàn)樗粩噙M(jìn)行刷新（Refresh）才能保留住數(shù)據(jù)，因此它是DRAM 最重要的操作。刷新操作與預(yù)充電中重寫的操作一樣，都是用S-AMP 先讀再寫。但為什么有預(yù)充電操作還要進(jìn)行刷新呢？因?yàn)轭A(yù)充電是對(duì)一個(gè)或所有L-Bank 中的工作行操作，并且是不定期的，而刷新則是有固定的周期，依次對(duì)所有行進(jìn)行操作，以保留那些久久沒經(jīng)歷重寫的存儲(chǔ)體中的數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵參數(shù)：

tRCD：

從行有效到讀/寫命令發(fā)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），大家也可以理解為行選通周期。廣義的tRCD以時(shí)鐘周期（tCK，Clock Time）數(shù)為單位，比如tRCD=2，就代表延遲周期為兩個(gè)時(shí)鐘周期，具體到確切的時(shí)間，則要根據(jù)時(shí)鐘頻率而定。

圖5 tRCD=3

CL：

相關(guān)的列地址被選中之后，將會(huì)觸發(fā)數(shù)據(jù)傳輸，但從存儲(chǔ)單元中輸出到真正出現(xiàn)在內(nèi)存芯片的 I/O 接口之間還需要一定的時(shí)間（數(shù)據(jù)觸發(fā)本身就有延遲，而且還需要進(jìn)行信號(hào)放大），這段時(shí)間就是非常著名的 CL（CAS Latency，列地址脈沖選通潛伏期）。CL 的數(shù)值與 tRCD 一樣，以時(shí)鐘周期數(shù)表示。如DDR-400，時(shí)鐘頻率為 200MHz，時(shí)鐘周期為 5ns，那么 CL=2 就意味著 10ns 的潛伏期。不過，CL 只是針對(duì)讀取操作，對(duì)于 SDRAM，寫入是沒有潛伏期的。

圖6 CL=2

BL：

突發(fā)（Burst）是指在同一行中相鄰的存儲(chǔ)單元連續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，連續(xù)傳輸?shù)闹芷跀?shù)就是突發(fā)長(zhǎng)度（Burst Lengths，簡(jiǎn)稱BL）。在進(jìn)行突發(fā)傳輸時(shí)，只要指定起始列地址與突發(fā)長(zhǎng)度，內(nèi)存就會(huì)依次地自動(dòng)對(duì)后面相應(yīng)數(shù)量的存儲(chǔ)單元進(jìn)行讀/寫操作而不再需要控制器連續(xù)地提供列地址（SDRAM與DDR SDRAM的突發(fā)傳輸對(duì)列尋址的操作數(shù)量有所不同，在此不再細(xì)說）。這樣，除了第一筆數(shù)據(jù)的傳輸需要若干個(gè)周期（主要是之前的延遲，一般的是tRCD+CL）外，其后每個(gè)數(shù)據(jù)只需一個(gè)周期的即可獲得。

圖7 突發(fā)BL=4

tRP：

由于SDRAM 的尋址具有獨(dú)占性，所以在進(jìn)行完讀寫操作后，如果要對(duì)同一L-Bank 的另一行進(jìn)行尋址，就要將原來有效（工作） 的行關(guān)閉，重新發(fā)送行/列地址。L-Bank 關(guān)閉現(xiàn)有工作行，準(zhǔn)備打開新行的操作就是預(yù)充電（Precharge）。在發(fā)出預(yù)充電命令之后，要經(jīng)過一段時(shí)間才能允許發(fā)送RAS 行有效命令打開新的工作行，這個(gè)間隔被稱為tRP（Precharge command Period，預(yù)充電有效周期）。

圖8 tRP=2

SDRAM的工作流程

圖9 SDRAM基本工作流程

啟動(dòng)初始化：

1、同時(shí)啟動(dòng)設(shè)備核心電源VDD和設(shè)備I/O電源VDDQ。聲明并維持CKE引腳為高電平（CKE引腳為Clock Enable，時(shí)鐘使能信號(hào)，高電平表示啟動(dòng)內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)）。

2、等到VDD和VDDQ穩(wěn)定后并且CKE設(shè)為高電平，應(yīng)用穩(wěn)定時(shí)鐘。

3、等待200μs執(zhí)行空操作命令。

4、precharge：預(yù)充電命令。SDRAM執(zhí)行一條預(yù)充電命令后，要執(zhí)行一條空操作命令，這兩個(gè)操作會(huì)使所有的存儲(chǔ)單元進(jìn)行一次預(yù)充電，從而使所有陣列中的器件處于待機(jī)狀態(tài)。引腳A10(=AP Auto Precharge)可以對(duì)預(yù)充電的模式進(jìn)行選擇，當(dāng)A10=LOW時(shí)，給單個(gè)bank pre-charge,bank由BA0和BA1引腳進(jìn)行選擇；當(dāng)A10=HIGH時(shí)，給所有的bank進(jìn)行precharge。

5、auto-refresh：自刷新命令。SDRAM要執(zhí)行兩條自刷新命令，每一條刷新命令之后，都需要執(zhí)行一條空操作命令。這些操作會(huì)使 SDRAM內(nèi)部的刷新及計(jì)數(shù)器進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，以便為SDRAM模式寄存器編程做好準(zhǔn)備。

6、load mode register：設(shè)置模式寄存器。Mode Register一般被用于定義SDRAM運(yùn)行的模式，寄存器里一般設(shè)置了讀取延遲，burst長(zhǎng)度，CAS，burst類型，操作模式，還有是設(shè)置SDRAM是工作在單個(gè)讀寫操作還是burst操作下。Mode Register通過LOAD MODE REGISTER命令進(jìn)行編程，這組信息將會(huì)一直保存在Mode Register中直到內(nèi)存掉電之后才會(huì)消失。而這個(gè)寄存器的設(shè)置也是通過地址線來設(shè)置的，所以在發(fā)出Load Mode Register命令后要做一個(gè)操作是使得在SDRAM的地址線上的值就是你要設(shè)置的值。注意！這個(gè)操作是8位的操作。Mode Register中的M0-M2是用來定義突發(fā)長(zhǎng)度（burst length）的,M3定義突發(fā)類型(sequential或者interleaved),M4-M6定義CAS延遲,M7和M8定義運(yùn)行模式，M9定義寫入突發(fā)模式（write burst mode）,M10和 M11目前保留。Mode Register必須在所有的bank都處于idle狀態(tài)下才能被載入，在所有初始化工組都進(jìn)行完畢之前，控制器必須等待一定的時(shí)間。在初始化過程中發(fā)生了任何非法的操作都可能導(dǎo)致初始化失敗從而導(dǎo)致整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不能啟動(dòng)。

設(shè)置完模式寄存器之后就進(jìn)入了正常讀寫操作模式。

圖10SDRAM初始化

SDRAM的基本讀寫操作

SDRAM的基本讀操作需要控制線和地址線相配合地發(fā)出一系列命令來完成。先發(fā)出BANK激活命令（ACTIVE），并鎖存相應(yīng)的BANK地址（BA0、 BA1給出）和行地址（A0～A12給出）。BANK激活命令后必須等待大于tRCD(SDRAM的RAS到CAS的延遲指標(biāo))時(shí)間后，發(fā)出讀命令字。CL（CAS延遲值）個(gè)工作時(shí)鐘后，讀出數(shù)據(jù)依次出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上。在讀操作的最后，要向SDRAM發(fā)出預(yù)充電（PRECHARGE）命令，以關(guān)閉已經(jīng)激活的頁(yè)。等待tRP時(shí)間（PRECHAREG命令后，相隔tRP時(shí)間，才可再次訪問該行）后，可以開始下一次的讀、寫操作。SDRAM的讀操作只有突發(fā)模式（Burst Mode），突發(fā)長(zhǎng)度為1、2、4、8可選。

圖11SDRAM基本讀操作

SDRAM的基本寫操作也需要控制線和地址線相配合地發(fā)出一系列命令來完成。先發(fā)出BANK激活命令（ACTIVE），并鎖存相應(yīng)的BANK地址（BA0、BA1給出）和行地址（A0～A12給出）。BANK激活命令后必須等待大于tRCD的時(shí)間后，發(fā)出寫命令字。寫命令可以立即寫入，需寫入數(shù)據(jù)依次送到DQ（數(shù)據(jù)線）上。在最后一個(gè)數(shù)據(jù)寫入后延遲tWR時(shí)間。發(fā)出預(yù)充電命令，關(guān)閉已經(jīng)激活的頁(yè)。等待tRP時(shí)間后，可以展開下一次操作。寫操作可以有突發(fā)寫和非突發(fā)寫兩種。突發(fā)長(zhǎng)度同讀操作。

SDRAM刷新過程：

由于SDRAM是利用其內(nèi)部的電容來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，所以需要不斷進(jìn)行刷新（Refresh）才能保留住數(shù)據(jù)。刷新操作有固定的周期，以行為單位進(jìn)行刷新，依次對(duì)所有行進(jìn)行操作，以保留那些久久沒經(jīng)歷重寫的存儲(chǔ)體中的數(shù)據(jù)。與所有L-Bank預(yù)充電不同的是，這里的行是指所有L-Bank中地址相同的行，而預(yù)充電中各L-Bank中的工作行地址并不是一定是相同的。存儲(chǔ)體中電容的數(shù)據(jù)有效保存期上限是64ms（毫秒，1/1000秒），也就是說每一行刷新的循環(huán)周期是64ms。這樣刷新速度就是：行數(shù)量/64ms。刷新命令一次對(duì)一行有效，發(fā)送間隔也是隨總行數(shù)而變化。

刷新操作分為兩種：自動(dòng)刷新（Auto Refresh，簡(jiǎn)稱AR）與自刷新（Self Refresh，簡(jiǎn)稱SR）。不論是何種刷新方式，都不需要外部提供行地址信息，因?yàn)檫@是一個(gè)內(nèi)部的自動(dòng)操作。

對(duì)于AR，SDRAM內(nèi)部有一個(gè)行地址生成器（也稱刷新計(jì)數(shù)器）用來自動(dòng)的依次生成行地址。由于刷新是針對(duì)一行中的所有存儲(chǔ)體進(jìn)行，所以無需列尋址，或者說CAS在RAS之前有效。所以，AR又稱CBR（CAS Before RAS，列提前于行定位）式刷新。由于刷新涉及到所有L-Bank，因此在刷新過程中，所有L-Bank都停止工作，而每次刷新所占用的時(shí)間為9個(gè)時(shí)鐘周期（PC133標(biāo)準(zhǔn)），之后就可進(jìn)入正常的工作狀態(tài)，也就是說在這9個(gè)時(shí)鐘期間內(nèi)，所有工作指令只能等待而無法執(zhí)行。64ms之后則再次對(duì)同一行進(jìn)行刷新，如此周而復(fù)始進(jìn)行循環(huán)刷新。顯然，刷新操作肯定會(huì)對(duì)SDRAM的性能造成影響，也是DRAM相對(duì)于SRAM（靜態(tài)內(nèi)存，無需刷新仍能保留數(shù)據(jù)）取得成本優(yōu)勢(shì)的同時(shí)所付出的代價(jià)。

SR則主要用于休眠模式低功耗狀態(tài)下的數(shù)據(jù)保存，這方面最著名的應(yīng)用就是STR（Suspend to RAM，休眠掛起于內(nèi)存）。在發(fā)出AR命令時(shí)，將CKE置于無效狀態(tài)，就進(jìn)入了SR模式，此時(shí)不再依靠系統(tǒng)時(shí)鐘工作，而是根據(jù)內(nèi)部的時(shí)鐘進(jìn)行刷新操作。在 SR期間除了CKE之外的所有外部信號(hào)都是無效的（無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進(jìn)入正常操作狀態(tài)。

審核編輯 ：李倩