Xilinx FPGA平台DDR3设计详解（二）：DDR SDRAM组成与工作过程

本文主要介绍一下DDR SDRAM的基本组成以及工作过程，方便大家更好的理解和掌握DDR的控制与读写。

一、DDR SDRAM的基本组成

1、SDRAM的基本单元

SDRAM的基本单元是一个CMOS晶体管和一个电容组成的电路。

晶体管最上面的一端，称作栅极，通过加上电压或取消电压，可以控制CMOS晶体管的开和关，进而控制流入小电容的电流。

小电容可以存储电荷，有电荷时表示存储1bit的1，无电荷时表示存储1bit的0。

当要写入存储1bit的1时，在R/W端加上高电压，并在栅极端加高电压保持一段时间后断开，即可写入。

当要写入存储1bit的1时，在R/W端接地，并在栅极端加高电压保持一段时间后断开，即可写入。

2、存储阵列

为了存储大量信息，需要将基本单元构成存储阵列，如下图所示：

word line表示字线，对应行，连接是每个单元的栅极。

bit line表示位线，对应列，连接的是每个单元的R/W端。

存储阵列读写数据时，当某一行的字线上通电后，这一行就打开了，通过控制位线上的电压变化，就能读取存储信息或写入数据。

读取数据时由于电容很小，所以读取数据时，产生的电压波动也很小，要经过sense amplifier进行放大，另外在读取位线上的数据后，小电容上的电荷会发生了改变，这会丢失原本的信息，是一种破坏性读出。

3、SDRAM动态刷新

为什么SDRAM要做动态刷新？

SDRAM基本单元的小电容的电容值很小，存储电荷不多，而CMOS晶体管有“电流泄漏”问题，即使字线不打开，小电容也会缓慢损失电荷，慢慢的信息就丢失了。

这就需要定时将电容的旧值重新向小电容写入数据，也就是动态刷新电容。

动态刷新电容如何实现的？

这里简单介绍一下，存储阵列中放大器可以暂存信息。

每个单元行，每隔一段时间，放大器暂存好信息后，就立刻将信息写回电容。

二、SDRAM读写过程

1、SDRAM读数据

激活命令：在向SDRAM发送读命令之前，必须先打开指定块中的指定行，并将其复制到行缓冲器中。这个操作由激活命令（ACTIVE）完成，激活命令通过片选信号（CS）、块地址信号（BA）和行地址信号（A）来确定要激活的块和行。激活命令还需要一个行地址选通信号（RAS），用来选通行地址。
读命令：在激活命令之后，需要等待一定的时间间隔（tRCD），才能发送读命令（READ）。读命令通过列地址信号（A）来确定要读取的列，并通过列地址选通信号（CAS）来选通列地址。读命令还需要一个写使能信号（WE），用来指示读操作。
数据输出：在读命令之后，还需要等待一定的时间间隔（tCL），才能从数据总线上获取数据。这个时间间隔被称为CAS等待时间或读取潜伏期，是指提供一个列地址与接收到相关数据之间的间隔。数据输出可以是单个或突发的，突发长度由模式寄存器设置。
预充电命令：在读操作完成后，需要对打开的行进行预充电操作，以恢复其电荷状态。这个操作由预充电命令（PRECHARGE）完成，预充电命令通过片选信号（CS）、块地址信号（BA）和预充电信号（A10）来确定要预充电的块和行。预充电命令还需要一个行地址选通信号（RAS）和一个列地址选通信号（CAS），用来指示预充电操作。

2、SDRAM读数据

激活命令：在向SDRAM发送写命令之前，必须先打开指定块中的指定行，并将其复制到行缓冲器中。这个操作由激活命令（ACTIVE）完成，激活命令通过片选信号（CS）、块地址信号（BA）和行地址信号（A）来确定要激活的块和行。激活命令还需要一个行地址选通信号（RAS），用来选通行地址。
写命令：在激活命令之后，需要等待一定的时间间隔（tRCD），才能发送写命令（WRITE）。写命令通过列地址信号（A）来确定要写入的列，并通过列地址选通信号（CAS）来选通列地址。写命令还需要一个写使能信号（WE），用来指示写操作。
数据输入：在写命令之后，可以立即从数据总线上输入数据。数据输入可以是单个或突发的，突发长度由模式寄存器设置。
预充电命令：在写操作完成后，需要对打开的行进行预充电操作，以恢复其电荷状态。这个操作由预充电命令（PRECHARGE）完成，预充电命令通过片选信号（CS）、块地址信号（BA）和预充电信号（A10）来确定要预充电的块和行。预充电命令还需要一个行地址选通信号（RAS）和一个列地址选通信号（CAS），用来指示预充电操作。

3、突发读写模式

SDRAM的burst突发模式是指当SDRAM接收到一个读或写命令后，不需要再次寻址，而是按照预设的长度和顺序连续地传输数据。这样可以节省寻址时间，提高数据传输效率。

突发长度（burst length）和突发类型（burst type）可以通过模式寄存器（mode register）来设置。突发长度（burst length）是指每次突发传输的数据量，一般有1、2、4、8和全页（fullpage）五种选择。全页指的是打开行中剩余的所有列地址。突发长度越大，传输速度越快，但也会占用总线时间越长，影响其他设备的访问。突发类型（burst type）是指每次突发传输的数据顺序，一般有顺序（sequential）和交替（interleave）两种选择。

顺序指的是按照列地址从低到高或从高到低的顺序传输数据，速度较快。

交替指的是按照列地址以某种规律跳跃地传输数据，速度较慢。

不同的突发类型对应不同的应用场景，一般来说，顺序适合于连续访问相邻地址的情况，交替适合于随机访问不连续地址的情况。

4、bank并行和内存交错

让一个 chip 内的不同 bank 并行工作，提升读写效率。

连续向不同的 bank 发送读取指令，同一时间内很多 bank 都在并行工作，比如第一个 bank 可能在输出，第二个 bank 可能在放大电压，第三个 bank 可能在开启单元行。这样当第一个 bank 突发输出完毕，第二个 bank 刚好可以输出，当第二个 bank 猝发输出完毕，第三个 bank 刚好可以输出。

这种通过“ bank 间并行”实现“连续泵出数据”的方法，就是所谓的“内存交错”。