DDR系列基础知识讲解.ppt

DDR系列基础知识讲解目录lDDR的种类lDDR的发展l名词解析lDDR特性分析l图形解析lDDR性能比较lDDR3基础知识讲解lDDR未来展望2011-7-18DDR的种类 DDR SDRAM：Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory，双倍数据率同步动态随机存取存储器；DDR2 SDRAM：Double-Data-Rate Two Synchronous Dynamic Random Access Memory，第二代双倍数据率同步动态随机存取存储器；DDR3 SDRAM：Double-Data-Rate Three Synchronous Dynamic Random Access Memory，第三代双倍数据率同步动态随机存取存储器；DDR4 SDRAM：Double-Data-Rate Fourth Synchronous Dynamic Random Access Memory，第四代双倍数据率同步动态随机存取存储器。2011-7-18DDR的发展三星公司制造出DDR系列的时间1997年DDR2001年DDR22005年DDR32011年DDR4DDR的发展SDRAMDDR的发展lDDRDDR的发展lDDR2DDR的发展lDDR3DDR的发展lDDR4DDR的发展DDR SDRAM可在一个时钟周期内传送两次数据DDR的发展内存核心频率与数据传输率的比较DDR的发展DDR数据传输速度为系统钟频率的两倍，能在选通脉冲的上升沿和下降沿传输数据DDR芯片和模块标准名称标准名称I/O总线时总线时钟频率钟频率(MHz)周期（周期（ns）存储器时钟存储器时钟频率频率(MHz)数据速率数据速率(MT/s)传输方式传输方式模块名称模块名称极限传输率极限传输率(MIB/S)DDR-20010010100200并行传输PC-16001600DDR-2661337.5133266并行传输PC-21002100DDR-3331666166333并行传输PC-27002700DDR-4002005200400并行传输PC-32003200DDR的发展DDR2的数据传输速度为系统时钟频率的四倍DDR2芯片和模块标准名称标准名称I/O总线总线时钟频率时钟频率(MHz)周期周期(ns)存储器时存储器时钟频率钟频率(MHz)数据速率数据速率(MT/s)传输方式传输方式模块名称模块名称极限传输极限传输率率(GIB/S)比特宽比特宽(bit)DDR2-40020010100400并行传输PC2-32003.264DDR2-5332667.5133533并行传输PC2-4200PC2-43004.364DDR2-6673336166667并行传输PC2-5300PC2-54005.364DDR2-8004005200800并行传输PC2-64006.464DDR2-10665333.752661066并行传输PC2-85008.564DDR的发展DDR3的数据传输速度为系统时钟频率的8倍DDR3芯片和模块标准名称标准名称I/O总线时总线时钟频率钟频率(MHz)周期周期(ns)存储器时存储器时钟频率钟频率(MHz)数据速率数据速率(MT/s)传输方式传输方式模块名称模块名称极限传输极限传输率率(GIB/S)比特宽比特宽(bit)DDR3-80040010100800并行传输PC3-64006.464DDR3-106653315/21331066并行传输PC3-85008.564DDR3-133366761661333并行传输PC3-1060010.664DDR3-160080052001600并行传输PC3-1280012.864DDR3-186693330/72331866并行传输PC3-1490014.964DDR3-2133106615/42662133并行传输PC3-1700017.064DDR的发展Samsung-DDR数据传输速率与供电电压的走势DDR的发展Samsung-DDR的带宽与数据传输率上升轨迹名词解析RAS：Row Address Strobe，行地址选通脉冲；CAS：Column Address Strobe，列地址选通脉冲；tRCD：RAS to CAS Delay，RAS至CAS延迟；CL：CAS Latency，CAS潜伏期（又称读取潜伏期），从CAS与读取命令发出到第一笔数据输出的时间段；RL：Read Latency,读取潜伏期；tAC：Access Time from CLK,时钟触发后的访问时间，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到数据传到I/O总线上止的这段时间；2011-7-18名词解析tWR：Write Recovery Time,写回，保证数据的可靠写入而留出足够的写入/校正时间，被用来表明对同一个bank的最后有效操作到预充电命令之间的时间量；BL：Burst Lengths,突发长度，突发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，连续传输所涉及到存储单元（列）的数量就是突发长度(SDRAM)，在DDR SDRAM中指连续传输的周期数；Precharge：L-Bank关闭现有工作行，准备打开新行的操作；tRP：Precharge command period，预充电有效周期，在发出预充电命令之后，要经过一段时间才能允许发送RAS行有效命令打开新的工作行；名词解析AL：Additive Latency，附加潜伏期（DDR2）；WL：Write Latency，写入命令发出到第一笔数据输入的潜伏期；tRAS:Active to Precharge Command，行有效至预充电命令间隔周期；tDQSS：WRITE Command to the first corresponding rising edge of DQS，DQS相对于写入命令的延迟时间；名词解析逻辑逻辑BankSDRAM的内部是一个存储阵列，要想准确地找到所需的存储单元就先指定一个（row）,再指定一个列（Column）,这就是内存芯片寻址的基本原理。L-Bank存储阵列示意图名词解析芯片位宽芯片位宽SDRAM内存芯片一次传输率的数据量就是芯片位宽，那么这个存储单元的容量就是芯片的位宽（也是L-Bank的位宽）；存储单元数量=行数*列数（得到一个L-Bank的存储单元数量）*L-Bank的数量也可用M*W的方式表示芯片的容量，M是该芯片中存储单元的总数，单位是兆（英文简写M，精确值是1048576），W代表每个存储单元的容量，也就是SDRAM芯片的位宽，单位是bit；DDR SDRAM内部存储单元容量是芯片位宽（芯片I/O口位宽）的一倍；DDR2 SDRAM内部存储单元容量是芯片位宽的四倍；DDR3 SDRAM内部存储单元容量是芯片位宽的八倍；DDR4 SDRAM内部存储单元容量是芯片位宽的八倍。特性分析存储原理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）；特性分析lDDRl延迟锁定回路（DLL）的任务是根据外部时钟动态修正内部时钟的延迟来实现与外部时钟的同步；lDLL有时钟频率测量法（CFM，Clock Frequency Measurement）和时钟比较法（CC，Clock Comparator）；lCFM是测量外部时钟的频率周期，然后以此周期为延迟值控制内部时钟，这样内外时钟正好就相差一个时钟周期，从而实现同步。DLL就这样反复测量反复控制延迟值，使内部时钟与外部时钟保持同步。CFM式DLL工作示意图特性分析lDDRlCC的方法则是比较内外部时钟的长短，如果内部时钟周期短了，就将所少的延迟加到下一个内部时钟周期，然后再与外部时钟做比较，若是内部时钟周期长了，就将多出的延迟从下一个内部时钟刨除，如此往复，最终使内外时钟同步。CC式DLL工作示意图特性分析lCFM与CC各有优缺点，CFM的校正速度快，仅用两个时钟周期，但容易受到噪音干扰，如果测量失误，则内部的延迟就永远错下去。CC的优点则是更稳定可靠，如果比较失败，延迟受影响的只是一个数据，不会涉及到后面的延迟修正，但它的修正时间要比CFM长。特性分析CK#起到触发时钟校准的作用，由于数据是在CK的上下沿触发，造成传输周期缩短了一半，因此必须要保证传输周期的稳定以确保数据的正确传输，这就要求CK的上下沿间距要有精确的控制。但因为温度、电阻性能的改变等原因，CK上下沿间距可能发生变化，此时预期相反的CK#就起到纠正的作用（CK上升快下降慢，CK#则是上升慢下降快）。特性分析在写入时，以DQS的高/低电平期中部为数据周期分割点，而不是上/下沿，但数据的接收触发仍为DQS的上/下沿，DQS是双向信号，读内存时，由内存产生DQS的沿和数据的沿对齐，写入内存时，由外部 产 生，DQS的 中 间 对 应 数 据 的 沿，即此时DQS的沿对应数据最稳定的中间时刻；图形解析lSDRAMSDRAM在开机时的初始化过程图形解析lSDRAM行有效时序图图形解析lSDRAM读写操作示意图，读取命令与列地址一块发出（当WE#为低电平是即为写命令）图形解析lSDRAM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，控制资源占用极大图形解析lSDRAM突发连续读取模式：只要指定起始列地址与突发长度，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图形解析lSDRAM读取时预充电时序图：图中设定：CL=2、BL=4、tRP=2。自动预充电时的开始时间与此图一样，只是没有了单独的预充电命令，并在发出读取命令时，A10地址线要设为高电平（允许自动预充电）。可见控制好预充电启动时间很重要，它可以在读取操作结束后立刻进入新行的寻址，保证运行效率。图形解析lSDRAM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图形解析lSDRAM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性能比较lDDR2与与DDR的区别的区别l1.速率与预取量lDDR2的实际工作频率是DDR的两倍，DDR2内存拥有两倍于标准DDR内存的4bit预期能力。l2.封装与电压lDDR封装为TSOPII，DDR2封装为FBGA；lDDR的标准电压为2.5V，DDR2的标准电压为1.8V。l3.bit pre-fetchlDDR为2bit pre-fetch,DDR2为4bit pre-fetch。l4.新技术的引进lDDR2引入了OCD、ODT和POST（1）ODT：ODT是内建核心的终结电阻，它的功能是让DQS、RDQS、DQ和DM信号在终结电阻处消耗完，防止这些信号在电路上形成反射；性能比较lDDR2与与DDR的区别的区别（2）Post CAS：它是为了提高DDR2内存的利用效率而设定的；在没有前置CAS功能时，对其他L-Bank的寻址操作可能会因当前行的CAS命令占用地址线而延后，并使数据I/O总线出现空闲，当使用前置CAS后，消除了命令冲突并使数据I/O总线的利率提高。性能比较lDDR2与与DDR的区别的区别l（3）OCD（Off-Chip Driver）：离线驱动调整，DDR2通过OCD可以提高信号的完整性lOCD的作用在于调整DQS与DQ之间的同步，以确保信号的完整与可靠性，OCD的主要用意在于调整I/O接口端的电压，来补偿上拉与下拉电阻值，目的是让DQS与DQ数据信号间的偏差降低到最小。调校期间，分别测试DQS高电平和DQ高电平，与DQS低电平和DQ高电平时的同步情况，如果不满足要求，则通过设定突发长度的地址线来传送上拉/下拉电阻等级，直到测试合格才退出OCD操作。性能比较lDDR3与与DDR2的区别的区别1.DDR2为1.8V，DDR3为1.5V；2.DDR3采用CSP和FBGA封装，8bit芯片采用78球FBGA封装，16bit芯片采用96球FBGA封装，而DDR2则有60/68/84球FBGA封装三种规格；3.逻辑Bank数量，DDR2有4Bank和8Bank，而DDR3的起始Bank8个；4.突发长度，由于DDR3的预期为8bit,所以突发传输周期（BL，Burst Length）也固定位8，而对于DDR2和早期的DDR架构的系统，BL=4也是常用的，DDR3为此增加了一个4-bitBurst Chop（突发突变）模式，即由一个BL=4的读取操作加上一个BL=4的写入操作来合成一个BL=8的数据突发传输，届时可通过A112位地址线来控制这一突发模式；5.寻址时序（Timing）,DDR2的AL为04，DDR3为0、CL-1和CL-2，另外DDR3还增加了一个时序参数写入延迟（CWD）；6.bit pre-fetch DDR2为4bit pre-fetch,DDR3为8bit pre-fetch;性能比较lDDR3与与DDR2的区别的区别 7.新增功能，ZQ是一个新增的引脚，在这个引脚上接有240欧姆的低公差参考电阻，新增裸露SRT（Self-Reflash Temperature）可编程化温度控制存储器时钟频率功能，新增PASR（PartialArray Self-Refresh）局部Bank刷新的功能，可以说针对整个存储器Bank做更有效的数据读写以达到省电功效；8.DDR3的参考电压分成两个，即为命令与地址信号服务的VREFCA和为数据总线服务的VREFDQ，这将有效低提高系统数据总线的信噪等级；9.点对点连接（point-to-point,p2p）,这是为了提高系统性能而进行的重要改动。性能比较DDR4与与DDR3的区别的区别DDR3 DRAM与DDR4 DRAM的主要标准性能比较DDR4与与DDR3的区别的区别DDR3 DRAM向DDR4 SDRAM的移行日程DDR3基础知识讲解DDR3基础知识讲解lBurst Length为固定的BC4和BL8，它们在“on the fly”能够和读命令或者写命令通过A12/BC引脚进行选择。DDR3基础知识讲解lRL为总的读取潜伏期，其被定义为Additive Latency(AL)+CAS Latency(CL);lCAS Latency为读取潜伏，为内部读命令和第一个bit有效数据输出之间的时钟周期；DDR3基础知识讲解lAdditive Latency为附加潜伏期，它的作用为使命令和数据总线更有效，即允许读或者写命令紧跟有效命令；DDR3基础知识讲解lCAS Write Latency（CWL）列写潜伏期，被定义为内部写命令和第一个bit有效数据输入之间的时钟周期延时；DDR3 SDRAM 不支持半周期潜伏，总的写潜伏为Write Latency(WL)=Additive Latency(AL)+CASltDQSCK是差分时钟的交叉点到数据选通脉冲的交叉点的时间；ltQSH是DQS的差分输出高电平时间；ltQSL是DQS的差分输出低电平时间；ltDQSQ是最近数据选通脉冲到数据有效的时间；ltQH是数据选通脉冲到最早的无效数据无法正确判断数据是否为1的时间；DDR3基础知识讲解读时序定义DDR3基础知识讲解读时序lODT（On-Termination）提供打开和关闭终结电阻的功能，该功能只为DQ、DQS、/DQS和DM管脚开放；DDR3基础知识讲解DDR3基础知识讲解地址/命令建立时间、保持时间和降额tis(total setup time)=tis(base)+tis tih(total setup time)=tih(base)+tihDDR3基础知识讲解数据建立时间、保持时间和降额tDS(total setup time)=tDS(base)+tDStDH(total hold time)=tDH(base)+tDH未来展望l内存产品不单单是容量上的提升，未来还将在频率上有着长足的进步。因为从之前JEDEC固态技术协会宣布DDR4内存标准关键技术中，可以看到未来DDR4内存的频率将突破5000MHz.DDR内存发展趋势未来展望DDR4内存预计将在2012年发布，2015年取代DDR3未来展望内存发展方向未来展望DDR系列市场占有份额关系图