原创 【转】SDRAM超详细分析2

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SDRAM芯片初始化、行有效、列读写时序

上文我们已经了解了SDRAM所用到的基本信号线路，下面就看看它们在SDRAM芯片内部是怎么“布置”的，并从这里开始深入了解内存的基本操作与过程， 在这一节中我们将接触到有天书之称的时序图，但不要害怕，根据文中的指导慢慢理解，您肯定可以看懂它。首先，我们先认识一下SDRAM的内部结构，然后再 开始具体的讲述。

128Mbit（32M×4）SDRAM内部结构图（点击放大）

芯片初始化

可能很多人都想象不到，在SDRAM芯片内部还有一个逻辑控制单元，并且有一个模式寄存器为其提供控制参数。因此，每次开机时SDRAM都要先对这个控制 逻辑核心进行初始化。有关预充电和刷新的含义在下文有讲述，关键的阶段就在于模式寄存器（MR，Mode Register）的设置，简称MRS（MR Set），这一工作由北桥芯片在BIOS的控制下进行，寄存器的信息由地址线来提供。

SDRAM在开机时的初始化过程

SDRAM模式寄存器所控制的操作参数：地址线提供不同的0/1信号来获得不同的参数。在设置到MR之后，就开始了进入正常的工作状态，图中相关参数将结合下文具体讲述

行有效

初始化完成后，要想对一个L-Bank中的阵列进行寻址，首先就要确定行（Row），使之处于活动状态（Active），然后再确定列。虽然之前要进行片选和L-Bank的定址，但它们与行有效可以同时进行。

行有效时序图

从图中可以看出，在CS#、L-Bank定址的同时，RAS（Row Address Strobe，行地址选通脉冲）也处于有效状态。此时An地址线则发送具体的行地址。如图中是A0-A11，共有12个地址线，由于是二进制表示法，所以 共有4096个行（212=4096），A0-A11的不同数值就确定了具体的行地址。由于行有效的同时也是相应L-Bank有效，所以行有效也可称为L -Bank有效。

列读写

行地址确定之后，就要对列地址进行寻址了。但是，地址线仍然是行地址所用的A0-A11（本例）。没错，在SDRAM中，行地址与列地址线是共用的。不 过，读/写的命令是怎么发出的呢？其实没有一个信号是发送读或写的明确命令的，而是通过芯片的可写状态的控制来达到读/写的目的。显然WE#信号就是一个 关键。WE#无效时，当然就是读取命令。

SDRAM基本操作命令, 通过各种控制/地址信号的组合来完成（H代表高电平，L代表低电平，X表示高低电平均没有影响）。此表中，除了自刷新命令外，所有命令都是默认CKE有效。对于自刷新命令，下文有详解

列寻址信号与读写命令是同时发出的。虽然地址线与行寻址共用，但CAS（Column Address Strobe，列地址选通脉冲）信号则可以区分开行与列寻址的不同，配合A0-A9，A11（本例）来确定具体的列地址。

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）

然而，在发送列读写命令时必须要与行有效命令有一个间隔，这个间隔被定义为tRCD，即RAS to CAS Delay（RAS至CAS延迟），大家也可以理解为行选通周期，这应该是根据芯片存储阵列电子元件响应时间（从一种状态到另一种状态变化的过程）所制定 的延迟。tRCD是SDRAM的一个重要时序参数，可以通过主板BIOS经过北桥芯片进行调整，但不能超过厂商的预定范围。广义的tRCD以时钟周期 （tCK，Clock Time）数为单位，比如tRCD=2，就代表延迟周期为两个时钟周期，具体到确切的时间，则要根据时钟频率而定，对于PC100 SDRAM，tRCD=2，代表20ns的延迟，对于PC133则为15ns。

tRCD=3的时序图

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SDRAM的读/写时序与突发长度

数据输出（读）

在选定列地址后，就已经确定了具体的存储单元，剩下的事情就是数据通过数据I/O通道（DQ）输出到内存总线上了。但是在CAS发出之后，仍要经过一定的 时间才能有数据输出，从CAS与读取命令发出到第一笔数据输出的这段时间，被定义为CL（CAS Latency，CAS潜伏期）。由于CL只在读取时出现，所以CL又被称为读取潜伏期（RL，Read Latency）。CL的单位与tRCD一样，为时钟周期数，具体耗时由时钟频率决定。

不过，CAS并不是在经过CL周期之后才送达存储单元。实际上CAS与RAS一样是瞬间到达的，但CAS的响应时间要更快一些。为什么呢？假设芯片位宽为 n个bit，列数为c，那么一个行地址要选通n×c个存储体，而一个列地址只需选通n个存储体。但存储体中晶体管的反应时间仍会造成数据不可能与CAS在 同一上升沿触发，肯定要延后至少一个时钟周期。

由于芯片体积的原因，存储单元中的电容容量很小，所以信号要经过放大来保证其有效的识别性，这个放大/驱动工作由S-AMP负责，一个存储体对应一个S- AMP通道。但它要有一个准备时间才能保证信号的发送强度（事前还要进行电压比较以进行逻辑电平的判断），因此从数据I/O总线上有数据输出之前的一个时 钟上升沿开始，数据即已传向S-AMP，也就是说此时数据已经被触发，经过一定的驱动时间最终传向数据I/O总线进行输出，这段时间我们称之为tAC （Access Time from CLK，时钟触发后的访问时间）。tAC的单位是ns，对于不同的频率各有不同的明确规定，但必须要小于一个时钟周期，否则会因访问时过长而使效率降低。 比如PC133的时钟周期为7.5ns，tAC则是5.4ns。需要强调的是，每个数据在读取时都有tAC，包括在连续读取中，只是在进行第一个数据传输 的同时就开始了第二个数据的tAC。

CL=2与tAC示意图

CL的数值不能超出芯片的设计规范，否则会导致内存的不稳定，甚至开不了机（超频的玩家应该有体会），而且它也不能在数据读取前临时更改。CL周期在开机 初始化过程中的MRS阶段进行设置，在BIOS中一般都允许用户对其调整，然后BIOS控制北桥芯片在开机时通过A4-A6地址线对MR中CL寄存器的信 息进行更改。

不过，从存储体的结构图上可以看出，原本逻辑状态为1的电容在读取操作后，会因放电而变为逻辑0。所以，以前的DRAM为了在关闭当前行时保证数据的可靠 性，要对存储体中原有的信息进行重写，这个任务由数据所经过的刷新放大器来完成，它根据逻辑电平状态，将数据进行重写（逻辑0时就不重写），由于这个操作 与数据的输出是同步进行互不冲突，所以不会产生新的重写延迟。后来通过技术的改良，刷新放大器被取消，其功能由S-AMP取代，因为在读取时它会保持数据 的逻辑状态，起到了一个Cache的作用，再次读取时由它直接发送即可，不用再进行新的寻址输出，此时数据重写操作则可在预充电阶段完成。

数据输入（写）

数据写入的操作也是在tRCD之后进行，但此时没有了CL（记住，CL只出现在读取操作中），行寻址与列寻址的时序图和上文一样，只是在列寻址时，WE#为有效状态。

数据写入的时序图

从图中可见，由于数据信号由控制端发出，输入时芯片无需做任何调校，只需直接传到数据输入寄存器中，然后再由写入驱动器进行对存储电容的充电操作，因此数 据可以与CAS同时发送，也就是说写入延迟为0。不过，数据并不是即时地写入存储电容，因为选通三极管（就如读取时一样）与电容的充电必须要有一段时间， 所以数据的真正写入需要一定的周期。为了保证数据的可靠写入，都会留出足够的写入/校正时间（tWR，Write Recovery Time），这个操作也被称作写回（Write Back）。tWR至少占用一个时钟周期或再多一点（时钟频率越高，tWR占用周期越多），有关它的影响将在下文进一步讲述。

突发长度

突发（Burst）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（Burst Lengths，简称BL）。 在目前，由于内存控制器一次读/写P-Bank位宽的数据，也就是8个字节，但是在现实中小于8个字节的数据很少见，所以一般都要经过多个周期进行数据的 传输。上文讲到的读/写操作，都是一次对一个存储单元进行寻址，如果要连续读/写就还要对当前存储单元的下一个单元进行寻址，也就是要不断的发送列地址与 读/写命令（行地址不变，所以不用再对行寻址）。虽然由于读/写延迟相同可以让数据的传输在I/O端是连续的，但它占用了大量的内存控制资源，在数据进行 连续传输时无法输入新的命令，效率很低（早期的FPE/EDO内存就是以这种方式进行连续的数据传输）。为此，人们开发了突发传输技术，只要指定起始列地 址与突发长度，内存就会依次地自动对后面相应数量的存储单元进行读/写操作而不再需要控制器连续地提供列地址。这样，除了第一笔数据的传输需要若干个周期 （主要是之前的延迟，一般的是tRCD+CL）外，其后每个数据只需一个周期的即可获得。在很多北桥芯片的介绍中都有类似于X-1-1-1的字样，就是指 这个意思，其中的X代表就代表第一笔数据所用的周期数。

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

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

至于BL的数值，也是不能随便设或在数据进行传输前临时决定。在上文讲到的初始化过程中的MRS阶段就要对BL进行设置。目前可用的选项是1、2、4、 8、全页（Full Page），常见的设定是4和8。顺便说一下，BL能否更改与北桥芯片的设计有很大关系，不是每个北桥都能像调整CL那样来调整BL。某些芯片组的BL是 定死而不可改的，比如Intel芯片组的BL基本都为4，所以在相应的主板BIOS中也就不会有BL的设置选项。而由于目前的SDRAM系统的数据传输是 以64bit/周期进行，所以在一些BIOS也把BL用QWord（4字，即64bit）来表示。如4QWord就是BL=4。

另外，在MRS阶段除了要设定BL数值之外，还要具体确定读/写操作的模式以及突发传输的模式。突发读/突发写，表示读与写操作都是突发传输的，每次读/ 写操作持续BL所设定的长度，这也是常规的设定。突发读/单一写，表示读操作是突发传输，写操作则只是一个个单独进行。突发传输模式代表着突发周期内所涉 及到的存储单元的传输顺序。顺序传输是指从起始单元开始顺序读取。假如BL=4，起始单元编号是n，顺序就是n、n+1、n+2、n+3。交错传输就是打 乱正常的顺序进行数据传输（比如第一个进行传输的单元是n，而第二个进行传输的单元是n+2而不是n+1），至于交错的规则在SDRAM规范中有详细的定 义表，但在这此出于必要性与篇幅的考虑就不列出了。

SDRAM芯片的预充电与刷新操作

预充电

由于SDRAM的寻址具体独占性，所以在进行完读写操作后，如果要对同一L-Bank的另一行进行寻址，就要将原来有效（工作）的行关闭，重新发送行/列 地址。L-Bank关闭现有工作行，准备打开新行的操作就是预充电（Precharge）。预充电可以通过命令控制，也可以通过辅助设定让芯片在每次读写 操作之后自动进行预充电。实际上，预充电是一种对工作行中所有存储体进行数据重写，并对行地址进行复位，同时释放S-AMP（重新加入比较电压，一般是电 容电压的1/2，以帮助判断读取数据的逻辑电平，因为S-AMP是通过一个参考电压与存储体位线电压的比较来判断逻辑值的），以准备新行的工作。具体而 言，就是将S-AMP中的数据回写，即使是没有工作过的存储体也会因行选通而使存储电容受到干扰，所以也需要S-AMP进行读后重写。此时，电容的电量 （或者说其产生的电压）将是判断逻辑状态的依据（读取时也需要），为此要设定一个临界值，一般为电容电量的1/2，超过它的为逻辑1，进行重写，否则为逻 辑0，不进行重写（等于放电）。为此，现在基本都将电容的另一端接入一个指定的电压（即1/2电容电压），而不是接地，以帮助重写时的比较与判断。

现在我们再回过头看看读写操作时的命令时序图，从中可以发现地址线A10控制着是否进行在读写之后当前L-Bank自动进行预充电，这就是上文所说的“辅 助设定”。而在单独的预充电命令中，A10则控制着是对指定的L-Bank还是所有的L-Bank（当有多个L-Bank处于有效/活动状态时）进行预充 电，前者需要提供L-Bank的地址，后者只需将A10信号置于高电平。

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，这个间隔被称为tRP（Precharge command Period，预充电有效周期）。和tRCD、CL一样，tRP的单位也是时钟周期数，具体值视时钟频率而定。

读取时预充电时序图（上图可点击放 大）：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。

刷新

之所以称为DRAM，就是因为它要不断进行刷新（Refresh）才能保留住数据，因此它是DRAM最重要的操作。

刷新操作与预充电中重写的操作一样，都是用S-AMP先读再写。但为什么有预充电操作还要进行刷新呢？因为预充电是对一个或所有L-Bank中的工作行操 作，并且是不定期的，而刷新则是有固定的周期，依次对所有行进行操作，以保留那些久久没经历重写的存储体中的数据。但与所有L-Bank预充电不同的是， 这里的行是指所有L-Bank中地址相同的行，而预充电中各L-Bank中的工作行地址并不是一定是相同的。

那么要隔多长时间重复一次刷新呢？目前公认的标准是，存储体中电容的数据有效保存期上限是64ms（毫秒，1/1000秒），也就是说每一行刷新的循环周 期是64ms。这样刷新速度就是：行数量/64ms。我们在看内存规格时，经常会看到4096 Refresh Cycles/64ms或8192 Refresh Cycles/64ms的标识，这里的4096与8192就代表这个芯片中每个L-Bank的行数。刷新命令一次对一行有效，发送间隔也是随总行数而变 化，4096行时为15.625μs（微秒，1/1000毫秒），8192行时就为7.8125μs。

刷新操作分为两种：自动刷新（Auto Refresh，简称AR）与自刷新（Self Refresh，简称SR）。不论是何种刷新方式，都不需要外部提供行地址信息，因为这是一个内部的自动操作。对于AR， SDRAM内部有一个行地址生成器（也称刷新计数器）用来自动的依次生成行地址。由于刷新是针对一行中的所有存储体进行，所以无需列寻址，或者说CAS在 RAS之前有效。所以，AR又称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，因此在刷新过程中，所有L-Bank都停止工作，而每次刷新所占用的时间为9个时钟周 期（PC133标准），之后就可进入正常的工作状态，也就是说在这9 个时钟期间内，所有工作指令只能等待而无法执行。64ms之后则再次对同一行进行刷新，如此周而复始进行循环刷新。显然，刷新操作肯定会对SDRAM的性 能造成影响，但这是没办法的事情，也是DRAM相对于SRAM（静态内存，无需刷新仍能保留数据）取得成本优势的同时所付出的代价。

SR则主要用于休眠模式低功耗状态下的数据保存，这方面最著名的应用就是STR（Suspend to RAM，休眠挂起于内存）。在发出AR命令时，将CKE置于无效状态，就进入了SR模式，此时不再依靠系统时钟工作，而是根据内部的时钟进行刷新操作。在 SR期间除了CKE之外的所有外部信号都是无效的（无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进入正常操作状态。

数据掩码

在讲述读/写操作时，我们谈到了突发长度。如果BL=4，那么也就是说一次就传送4×64bit的数据。但是，如果其中的第二笔数据是不需要的，怎么办？ 还都传输吗？为了屏蔽不需要的数据，人们采用了数据掩码（Data I/O Mask，简称DQM）技术。通过DQM，内存可以控制I/O端口取消哪些输出或输入的数据。这里需要强调的是，在读取时，被屏蔽的数据仍然会从存储体传 出，只是在“掩码逻辑单元”处被屏蔽。DQM由北桥控制，为了精确屏蔽一个P-Bank位宽中的每个字节，每个DIMM有8个DQM信号线，每个信号针对 一个字节。这样，对于4bit位宽芯片，两个芯片共用一个DQM信号线，对于8bit位宽芯片，一个芯片占用一个DQM信号，而对于16bit位宽芯片， 则需要两个DQM引脚。

SDRAM官方规定，在读取时DQM发出两个时钟周期后生效，而在写入时，DQM与写入命令一样是立即成效。

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（上图可点击放大）

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（上图可点击放大）

有关内存内部的基本操作就到此结束，其实还有很多内存的操作没有描述，但都不是很重要了，限于篇幅与必要性，我们不在此介绍，有兴趣的读者可以自行查看相关资料。

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