SDRAM工作原理及時(shí)序分析

SDRAM 簡(jiǎn)介

SDRAM是一種同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存，它具有內(nèi)置控制器，通過(guò)與CPU時(shí)鐘同步來(lái)工作，使得數(shù)據(jù)傳輸更為高效。SDRAM在內(nèi)存顆粒市場(chǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位，廣泛應(yīng)用于各種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和服務(wù)器中，為數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)提供了快速且可靠的支持。 SDRAM具有高速度、高密度、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用Bank架構(gòu)，允許同時(shí)進(jìn)行多個(gè)讀寫(xiě)操作，從而提高了整體性能。此外，SDRAM還具有自動(dòng)刷新功能，能夠確保數(shù)據(jù)在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持正確性。 華芯微特已經(jīng)將SDRAM合封入芯片，合封的SDRAM大小根據(jù)芯片型號(hào)不同，具體見(jiàn)選型手冊(cè)。

SDRAM 結(jié)構(gòu)框圖

SDRAM的內(nèi)部是一個(gè)存儲(chǔ)陣列，將數(shù)據(jù)“填”進(jìn)去，你可以它想象成一張表格。和表格的檢索原理一樣，先指定一個(gè)行（Row），再指定一個(gè)列（Column），我們就可以準(zhǔn)確地找到所需要的單元格，這就是內(nèi)存芯片尋址的基本原理。 為了詳細(xì)地介紹SDRAM以及它的使用，以某一款SDRAM數(shù)據(jù)手冊(cè)結(jié)構(gòu)框圖來(lái)分析， 內(nèi)部主要構(gòu)成部分如下圖所示：

01 SDRAM 信號(hào)線(xiàn)

CLK：同步時(shí)鐘信號(hào)，提供SDRAM工作時(shí)鐘，所有輸入信號(hào)在CLK為上升沿時(shí)被采樣。 CKE：時(shí)鐘使能信號(hào)。時(shí)鐘使能進(jìn)入正常工作模式，時(shí)鐘失能進(jìn)入休眠模式或者自刷新模式。 CS ：片選信號(hào)，低電平有效。 CAS：列地址選通，當(dāng)為低電平時(shí)地址線(xiàn)表示為列地址。 RAS：行地址選通，當(dāng)為低電平時(shí)地址線(xiàn)表示為行地址。 WE：讀寫(xiě)指令切換信號(hào)。低電平：寫(xiě)使能；高電平：讀使能。 DQM[1:0]：輸入/輸出掩碼信號(hào)，表示DQ數(shù)據(jù)的有效部分。當(dāng)DQM在讀取周期中被采樣為高時(shí)，輸出緩沖器被置于Hi-Z（具有2的延遲）。在寫(xiě)入周期中，采樣DQM高電平將以零延遲阻止寫(xiě)入操作。 BS：BANK地址輸入，選擇要控制的BNAK。 A[12:0]：地址信號(hào)線(xiàn)，地址線(xiàn)A10控制著是否進(jìn)行在讀或?qū)懖僮髦螽?dāng)前L-Bank自動(dòng)進(jìn)行預(yù)充電。 DQ[15:0] ：數(shù)據(jù)輸入輸出信號(hào)線(xiàn)。

對(duì)于DQM（Data I/O Mask）信號(hào)，每個(gè)DQM控制屏蔽8bit數(shù)據(jù)，對(duì)于這款SDRAM，它是16bit的，UDQM可屏蔽高8位，LDQM可屏蔽低8位。對(duì)于16bit的數(shù)0xDDFF，我們?nèi)绻恍韪?位寫(xiě)入，低8位不寫(xiě)入，在寫(xiě)入時(shí)可以將UDQM置低，LDQM置高。

02 SDRAM 操作命令

NO-Operation：空操作命令，用于選中SDRAM，防止SDRAM接受錯(cuò)誤的命令，為接下來(lái)的命令發(fā)送做準(zhǔn)備。

Active (用于存儲(chǔ)單位尋址)：激活命令，該命令必須在讀寫(xiě)操作之前被發(fā)送，用于設(shè)置所需要的BANK和行地址 (同時(shí)設(shè)置) ，BANK地址由BS0(BA0)，BS1(BA1)決定，行地址由A0~12決定。

Read / Write：讀/寫(xiě)命令，在發(fā)送完激活命令后，并進(jìn)行讀寫(xiě)再發(fā)送列地址就可以完成對(duì)SDRAM的尋址，并進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

Precharge：預(yù)充電指令，用于關(guān)閉BANK中所打開(kāi)的行地址，準(zhǔn)備打開(kāi)新行。進(jìn)行完讀寫(xiě)操作后，要對(duì)同一BANK的另一行進(jìn)行尋址,就要將原來(lái)有效(打開(kāi))的行關(guān)閉，重新發(fā)送行/列地址。

Refresh：SDRAM存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)需要不斷進(jìn)行刷新操作才能保存，用于刷新一行數(shù)據(jù)，可以依次對(duì)所有的行進(jìn)行刷新操作。CKE引腳高電平為自動(dòng)刷新（Auto Refresh），CKE為低電平是自我刷新（Self Refresh）。

自動(dòng)刷新:依靠刷新計(jì)數(shù)器(行地址生成器)自動(dòng)依次生成要刷新的行地址刷新周期 (完成一次所有行的刷新所需要的時(shí)間) :64ms。自我刷新:用于休眠低功耗狀態(tài)下的數(shù)據(jù)保存。

Mode Register Set：設(shè)置模式寄存器。SDRAM芯片內(nèi)部有一個(gè)邏輯控制單元，控制單元的相關(guān)參數(shù)由模式寄存器提供。該命令在每次對(duì)SDRAM進(jìn)行初始化時(shí)都需要用到。

具體模式設(shè)置，如下圖：

A0～A2：用來(lái)指定突發(fā)的長(zhǎng)度，1,2,4,8或者全頁(yè)突發(fā)。所謂的“突發(fā)”是指當(dāng)我們對(duì)一個(gè)地址進(jìn)行尋址并操作完成后，不必再重新對(duì)下一個(gè)地址進(jìn)行尋址，而是直接進(jìn)行操作。
A3：設(shè)置突發(fā)的類(lèi)型，連續(xù)型和非連續(xù)型。

A4~A6：指定潛伏期的長(zhǎng)度，可以選擇延時(shí)2，3兩個(gè)周期。

A9：用來(lái)指定操作模式。

03 SDRAM容量計(jì)算

SDRAM總存儲(chǔ)容量 =行數(shù)×列數(shù)×L-Bank的數(shù)量×存儲(chǔ)單元的容量

Row Address : A0~A11

Column Address : A0-A8

Bank = 4

Data Width=16bit

Capacity=212x 29x 4bank x 16bit=128Mbit

04 SDRAM上電初始化過(guò)程

1、VDD (供輸入buffer和邏輯電路)和VDDQ(供輸出buffer)上電，此期間CKE保持低電平。2、開(kāi)始時(shí)鐘并使CKE置高。

3、電源、時(shí)鐘都穩(wěn)定后，再等待200uS。

4、發(fā)出預(yù)充電命令。

5、發(fā)出多個(gè) (8個(gè)以上) 刷新命令 (REF)。

6、發(fā)出模式寄存器設(shè)置命令 (MRS)，初始化模式寄存器 (DDR2 中還有EMRS，進(jìn)行ODT.OCD等功能的設(shè)置和調(diào)整)。

05 SDRAM 讀寫(xiě)時(shí)序

這里從SDRAM手冊(cè)截取讀時(shí)序進(jìn)行分析，這里需要參考下圖的操作命令具體值與時(shí)序圖一起分析。

1.讀時(shí)序(Burst Length = 4, CAS Latency = 3, Auto-Precharge))

讀取數(shù)據(jù)過(guò)程：

1)發(fā)送激活命令，設(shè)置行地址和Bank地址。

2)設(shè)置列地址，發(fā)送讀命令。

3)將A10地址線(xiàn)拉高，自動(dòng)預(yù)充電使能。

4)開(kāi)始執(zhí)行預(yù)充電。

5) 完成數(shù)據(jù)讀取。

2.寫(xiě)時(shí)序（Auto-Precharge Write，Burst Length = 4)

寫(xiě)過(guò)程跟讀取類(lèi)似：

1)發(fā)送激活命令，設(shè)置行地址和Bank地址。

2)設(shè)置列地址，發(fā)送寫(xiě)命令。

3)將A10地址線(xiàn)拉高，自動(dòng)預(yù)充電使能

4)開(kāi)始執(zhí)行預(yù)充電。

5) 完成數(shù)據(jù)寫(xiě)入。