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DDR 基础介绍 (一)——(演进、构成、存储原理)

我们常说的DDR，亦即DDR SDRAM，指的是PC端或者消费电子(手机，平板)中的内存，是 “Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory”(双数据率同步动态随机存储器)的简称，它 允许在时钟脉冲的上升沿和下降沿传输数据，其主要作用是为了和CPU频率同步，进而大大提高数据传输效率。

SDRAM从发展到现在已经经历了五代，分别是：

• 第一代SDR SDRAM，单边沿传输数据；
• 第二代DDR SDRAM，允许在时钟脉冲的上升沿和下降沿传输数据；
• 第三代DDR2 SDRAM，拥有两倍于上一代DDR内存预读取能力(即4bit数据读预取能力)；
• 第四代DDR3 SDRAM，具备更低的工作电压(1.5v)，240线接口，支持8bit预读；
• 第五代DDR4 SDRAM，16bit预取机制(DDR3为8bit)，同样内核频率下理论速度是DDR3的两倍，；
• 目前已经发展到DDR5 SDRAM；

DDR核心技术点就在于：(1)双沿传输。(2)预取prefetch。DDR的频率：(1)核心频率、(2)时钟频率、(3)数据传输频率；核心频率就是内存的工作频率；DDR1内存的核心频率是和时钟频率相同的，到了DDR2和DDR3时才有了时钟频率的概念，就是将核心频率通过倍频技术得到的一个频率。数据传输频率就是传输数据的频率。DDR1预读取是2位，DDR2预读取是4位，DDR3预读取是8位…与DDR相比，LPDDR内存全称是Low Power Double Data Rate SDRAM，中文意为低功耗双倍数据速率内存，又称为mDDR(Mobile DDR SDRM)，主要针对于移动端电子产品。
   LPDDR4X可以看作是LPDDR4的省电优化版本，比LPDDR4功耗更低、更省电；目前市面上主流旗舰手机内存使用的都是LPDDR4X和LPDDR4，由于二者经常同时出现，名字也十分相似，所以很容易让人混淆。

一、DDR的演进变化

DDR到DDR5的主要变化主要表现在DDR的性能，容量和省电三个方面：IO的速率也越来越高，规范的工作电压越来越低，芯片容量越来越大。除了电压，容量和IO的速率变化之外，还包含Bank，Bank Group，Prefetch和Burst Length的演进，bank数越来越多，到DDR4出现bank group，prefetch也从2n增加到4n，8n。

DRAM是怎么实现用比较低的核心传输频率来满足日益高涨的高速IO传输速率的需求呢？这就是靠prefetch来实现的。

• 从DDR开始到DDR3很好理解，Prefetch相当于DRAM core同时修了多条高速公路连到外面的IO口，来解决IO速率比内部核心速率快的问题，IO数据速率跟核心频率的倍数关系就是prefetch。
• burst length的长度跟CPU的cache line大小有关。Burst length的长度有可能大于或者等于prefetch。但是如果prefetch的长度大于burst length的长度，就有可能造成数据浪费，因为CPU一次用不了那么多。所以从DDR3到DDR4，如果在保持DDR4内存data lane还是64的前提下，继续采用增加prefetch的方式来提高IO速率的话，一次prefetch取到的数据就会大于一个cache line的大小 (512bits)，对于目前的CPU系统，反而会带来性能问题。
• DDR4出现了Bank Group,这就是DDR4在不改变prefetch的情况下，能继续提升IO速率的秘密武器。DDR4利用Bank group的interleave，实现IO速率在DDR3基础上进一步提升。

二、DDR的内存组成

DDR SDRAM内存条从外观上可以看出由很多内存颗粒组成。从内存控制器到内存颗粒内部逻辑，笼统上讲从大到小为：Channel＞DIMM＞Rank＞Chip＞Bank＞Row/Column，如下图：

• Channel：一个主板上可能有多个插槽，用来插多根内存。这些槽位分成两组或多组，组内共享物理信号线。这样的一组数据信号线、对应几个槽位(内存条)称为一个channel(通道)。简单理解就是DDRC(DDR控制器)，一个通道对应一个DDRC。CPU外核或北桥有两个内存控制器，每个控制器控制一个内存通道。内存带宽增加一倍。(理论上)
• DIMM(dual inline memory module)是主板上的(一条可传输64bit数据的内存PCB，也就是内存颗粒的载体)。
• Rank是一组内存芯片的集合，当芯片位宽x芯片数=64bits(内存总位宽)时，这些芯片就组成一个Rank。一般是一个芯片位宽8bit，然后内存每面8个芯片，那么这一面就构成一个Rank(为了提高容量，有些双面内存条就有两个rank。在DDR总线上可以用一根地址线来区分当前要访问的是哪一组)。同一个Rank中的所有芯片协作来共同读取同一个Address(一个Rank8个芯片 * 8bit = 64bit)，这个Address的数据分散在这个Rank的不同芯片上。设计Rank的原因是这样可以使每个芯片的位宽小一些，降低复杂度。
• Chip是内存条上的一个芯片，俗称内存颗粒。由图中是由8个bank组成了一个memory device。
• Bank：Bank是一个逻辑上的概念。一个Bank可以分散到多个Chip上，一个Chip也可以包含多个Bank。Bank和Chip的关系可以参考下面的图，每次读数据时，选定一个Rank，然后同时读取每个chip上的同一bank。
• Row/Column组成的Memeory Array：Bank可以理解为一个二维数组bool Array[Row][Column]。而Row/Column就是指示这个二维数组内的坐标。注意读取时每个Bank都读取相同的坐标。

三、DDR的内存原理

如DDR4芯片有20根地址线(17根Address、2根BA、1根BG)，16根数据线。在搞清楚这些信号线的作用以及地址信号为何还有复用功能之前，我们先抛出1个问题。假如我们用20根地址线，16根数据线，设计一款DDR，我们能设计出的DDR寻址容量有多大？

Size(max)=(2^20) * 16=1048576 * 16=16777216bit=2097152B=2048KB=2MB。

但是事实上，该DDR最大容量可以做到1GB，比传统的单线编码寻址容量大了整整512倍，它是如何做到的呢？答案很简单，分时复用。我们把DDR存储空间可以设计成如下样式：
  首先将存储空间分成两个大块，分别为BANK GROUP0和BANK GROUP1，再用1根地址线(还剩19根)，命名为BG，进行编码。若BG拉高选择BANK GROUP0，拉低选择BANK GROUP1。(当然你也可以划分成4个大块，用2根线进行编码)

  此时，我们将DDR内存颗粒划分成了2个BANK GROUP，每个BANK GROUP又分成了4个BANK，共8个BANK区域，分配了3根地址线，分别命名为BG0，BA0，BA1。然后我们还剩余17根信号线，每个BANK又该怎么设计呢？这时候，就要用到分时复用的设计理念了。
  剩下的17根线，第一次用来表示行地址，第二次用来表示列地址。现在修改为传输2次地址，在传输1次数据，寻址范围最多被扩展为2GB。虽然数据传输速度降低了一半，但是存储空间被扩展了很多倍。这就是改善空间。
所以，剩下的17根地址线，留1根用来表示传输地址是否为行地址。

• 在第1次传输时，行地址选择使能，剩下16根地址线，可以表示行地址范围，可以轻松算出行地址范围为2^16=65536个=64K个。
• 在第2次传输时，行地址选择禁用，剩下16根地址线，留10根列地址线表示列地址范围，可以轻松表示的列地址范围为2^10=1024个=1K个，剩下6根用来表示读写状态/刷新状态/行使能、等等复用功能。
• 这样，我们可以把1个BANK划分成67108864个=64M个地址编号。如下所示
• 所以1个BANK可以分成65536行，每行1024列，每个存储单元16bit。

所以1个BANK可以分成65536行，每行1024列，每个存储单元16bit。

     每行可以存储1024*16bit=2048B=2KB。每行的存储的容量，称为Page Size。

     单个BANK共65536行，所以每个BANK存储容量为65536*2KB=128MB。

     单个BANK GROUP共4个BANK，每个BANK GROUP存储容量为512MB。

     单个DDR4芯片有2个BANK GROUP，故单个DDR4芯片的存储容量为1024MB=1GB。

至此，20根地址线和16根数据线全部分配完成，我们用正向设计的思维方式，为大家讲解了DDR4的存储原理以及接口定义和寻址方式。
  但是细心的同学发现一个问题，对于每一个bank，按照正常的10位数据，那么col应该是1024，而现在是128，是什么原因呢？

  那么问题又来了，为什么Column Address的寻址能力只有128呢？请继续看下图:

  在上图中，可以清晰地发现，10bits的Column Address只有7bits用于列地址译码！列地址0,1,2并没有用！！！列地址0,1,2,这3bits被用于什么功能了？或者是DDR的设计者脑残，故意浪费了这三个bits？在JESD79-3规范中有如下的这个表格：

  可以发现，Column Address的A2，A1，A0三位被用于Burst Order功能，并且A3也被用于Burst Type功能。由于一般情况，我们采用的都是顺序读写模式(即{A2,A1,A0}={0,0,0})，所以此时的A3的取值并无直接影响，这个后面章节中重点介绍。
  CA[2:0]的值决定了一次Burst sequence的读写地址顺序。

比如一次Burst Read的时候如果CA[2:0]=3’b001表示低三位从地址1开始读取，CA3=0的时候按顺序读取1，2，3，0，5，6，7，4，CA3=1的时候交错
读取1，0，3，2，5，4，7，6。

对于Prefetch而言，正好是8N Prefetch，对于Burst而言对应BL8。
BC4其实也是一次BL8的操作，只是丢弃了后一半的数据。

更形象地理解就是对于一个Bank里面的Memory Array，每个Memory Cell可以看作是一个Byte的集合体。CA[9:3]选中一行中的一个特定Byte，再由CA[2:0]选择从这个Byte的哪个位置开始操作。CA3既参与了列地址译码，也决定Burst是连续读取还是交错读取。Prefetch也决定了I/O Frequency和SDRAM Core Frequency之间的关系。

参考引用：https://www.cnblogs.com/shengansong/archive/2012/09/01/2666213.htmlhttps://blog.csdn.net/u012489236/article/details/107730731****