DDR3的運行全流程涵蓋了從初始化到數(shù)據(jù)讀寫，再到刷新和低功耗模式的復(fù)雜操作。本文將詳細解析DDR3內(nèi)存的運行機制，包括其基本原理、關(guān)鍵操作以及如何通過各種命令和時序控制來實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)處理。

通過深入了解DDR3內(nèi)存的運行全流程，我們可以更好地理解實際使用中DDR是如何工作的，并為理解DDR4/DDR5等更復(fù)雜的內(nèi)存使用提供參考。

下面是DDR3運行過程的可能的狀態(tài)轉(zhuǎn)換：

可以把這整個流程分成：初始化，動態(tài)配置更新，刷新和自刷新，讀寫數(shù)據(jù)這幾個部分。

1. DDR3 SDRAM 初始化

DDR3 SDRAM從上電到進入空閑狀態(tài)的過程中，經(jīng)歷了一系列初始化步驟，包括上電、復(fù)位、初始化、ZQ校準(zhǔn)和空閑狀態(tài)。

Power On -> Reset Procedure -> Initialization -> ZQCL -> Idle

1). 上電（Power On）

• DDR3 SDRAM芯片上電后，需要一段時間讓電源電壓穩(wěn)定，確保所有內(nèi)部電路都處于正常工作狀態(tài)。

• 這一階段通常需要幾百微秒到幾毫秒的時間。

操作：

• 電源電壓逐漸上升至穩(wěn)定狀態(tài)，確保所有內(nèi)部電路都處于正常工作狀態(tài)。

• 內(nèi)存控制器監(jiān)控電源電壓，確保電壓達到規(guī)定的穩(wěn)定值。

2). 復(fù)位（Reset Procedure）

• 復(fù)位過程用于將DDR3 SDRAM芯片恢復(fù)到已知的初始狀態(tài)，確保所有內(nèi)部寄存器和狀態(tài)機都處于默認(rèn)狀態(tài)。

• 這一階段通常需要幾百納秒到幾微秒的時間。

操作：

• 內(nèi)存控制器發(fā)送復(fù)位命令（Reset Command）。

• 內(nèi)存芯片接收到復(fù)位命令后，內(nèi)部狀態(tài)機重置，所有寄存器和配置回到默認(rèn)狀態(tài)。

3). 初始化（Initialization）

• 初始化過程用于配置DDR3 SDRAM芯片的各種參數(shù)，使其準(zhǔn)備好進行正常操作。

• 這一階段包括預(yù)置操作、模式寄存器設(shè)置（MRS）等步驟。

• 預(yù)置操作（Precharge All）：將所有內(nèi)存行預(yù)置為未激活狀態(tài)。

• 操作：內(nèi)存控制器發(fā)送Precharge All命令，使所有內(nèi)存行處于未激活狀態(tài)。

• 模式寄存器設(shè)置（Mode Register Set, MRS）：：配置DDR3 SDRAM的初始工作模式，包括時序參數(shù)、突發(fā)長度、自刷新周期等。

• 操作：內(nèi)存控制器發(fā)送MRS命令，配置內(nèi)存芯片的初始工作模式。

4). ZQ校準(zhǔn)（ZQ Calibration, ZQCL）

• ZQ校準(zhǔn)用于確保DDR3 SDRAM芯片的輸出驅(qū)動器阻抗與標(biāo)準(zhǔn)阻抗匹配，減少信號反射和噪聲。

• 這一階段包括ZQ校準(zhǔn)長（ZQCL）和ZQ校準(zhǔn)短（ZQCS）兩種模式。

• ZQ校準(zhǔn)長（ZQCL）：通過外部240Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻進行阻抗匹配校準(zhǔn)。

• 操作：內(nèi)存控制器發(fā)送ZQCL命令，啟動阻抗匹配校準(zhǔn)過程。內(nèi)存芯片通過外部240Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻進行阻抗匹配，調(diào)整內(nèi)部驅(qū)動器的阻抗。

• ZQ校準(zhǔn)短（ZQCS）：用于快速重新校準(zhǔn)阻抗匹配。

• 操作：內(nèi)存控制器發(fā)送ZQCS命令，啟動快速阻抗匹配校準(zhǔn)過程。

5). 空閑狀態(tài)（Idle）

• 空閑狀態(tài)是指DDR3 SDRAM芯片在完成初始化和校準(zhǔn)后，等待接收新的命令或進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)。

• 在空閑狀態(tài)下，內(nèi)存芯片可以進行自刷新操作，以保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性。

  
  

1. 動態(tài)配置更新

DDR3 SDRAM從空閑狀態(tài)（IDLE）到模式寄存器設(shè)置（MRS）、內(nèi)存保護寄存器（MPR）、寫入對齊（Write Leveling）再到空閑狀態(tài)（IDLE）的全流程。

IDLE->MRS、MPR、Write Leveling->IDLE

1). 模式寄存器設(shè)置（MRS）：

• 模式寄存器設(shè)置（Mode Register Set, MRS）用于配置DDR3 SDRAM的初始工作模式，包括時序參數(shù)、突發(fā)長度、自刷新周期等。

• 這一步驟通常在初始化過程中多次執(zhí)行，以配置不同的模式寄存器。

• 具體步驟：

• 設(shè)置基本模式寄存器（MR0）：配置基本的工作模式，如突發(fā)長度、CAS延遲等。

• 設(shè)置擴展模式寄存器（MR1）：配置高級的工作模式，如溫度補償自刷新、動態(tài)刷新等。

• 設(shè)置其他模式寄存器（MR2, MR3）：配置更高級的功能，如寫入恢復(fù)時間、片內(nèi)終結(jié)等。

2). 內(nèi)存保護寄存器（MPR）

• 內(nèi)存保護寄存器（Memory Protection Register, MPR）用于配置DDR3 SDRAM的內(nèi)存保護功能，如錯誤檢測和糾正（ECC）等。

• 這一步驟通常在初始化過程中執(zhí)行，以確保數(shù)據(jù)的完整性和安全性。

• 具體步驟：

• 配置MPR：配置內(nèi)存保護功能，如ECC。

3). 寫入校準(zhǔn)（Write Leveling）

• 寫入校準(zhǔn)（Write Leveling）是一種時序校準(zhǔn)技術(shù)，用于優(yōu)化寫入操作的時序。通過動態(tài)調(diào)整DQS（數(shù)據(jù)選通信號）的延遲，確保DQS信號和CK（時鐘信號）的邊沿在DRAM引腳處精確對齊，從而減少時序偏差，提高系統(tǒng)的可靠性和性能。

• 具體步驟：

• 內(nèi)存控制器驗證校準(zhǔn)結(jié)果，確保DQS信號和CK信號的邊沿精確對齊。

• 調(diào)整后的延遲值被存儲在內(nèi)存芯片的寄存器中。

• 內(nèi)存芯片內(nèi)部的校準(zhǔn)電路通過比較訓(xùn)練模式數(shù)據(jù)的到達時間和預(yù)期時間，調(diào)整DQS信號的延遲。

• 內(nèi)存控制器發(fā)送訓(xùn)練模式數(shù)據(jù)，用于校準(zhǔn)DQS信號的延遲。

• 內(nèi)存控制器發(fā)送MRS命令，啟動Write Leveling校準(zhǔn)過程。

• 啟動Write Leveling校準(zhǔn)：

• 發(fā)送訓(xùn)練模式數(shù)據(jù)：

• 調(diào)整DQS信號的延遲：

• 存儲校準(zhǔn)結(jié)果：

• 驗證校準(zhǔn)結(jié)果：

4). 返回空閑狀態(tài)（IDLE）

• 在完成MRS、MPR和Write Leveling校準(zhǔn)后，內(nèi)存控制器使內(nèi)存芯片返回空閑狀態(tài)，等待新的命令或進行數(shù)據(jù)傳輸。

  
  

3.刷新和自刷新

刷新命令(Refresh Command)和自刷新操作(Self-Refresh Operation)是兩種不同的機制，用于確保存儲器中的數(shù)據(jù)保持完整性和可靠性。

IDLE->Refreshing->IDLE

IDLE->Self Refreshing->IDLE

1). Refresh

刷新命令（Refresh Command）是DDR3 SDRAM在正常操作期間用于維持?jǐn)?shù)據(jù)完整性的一種機制。由于DRAM的特性，它需要定期刷新以保持?jǐn)?shù)據(jù)不丟失。刷新命令是非持久性的，意味著每次刷新都需要顯式地發(fā)出。在刷新周期中，所有Bank必須處于預(yù)充電狀態(tài)，并且必須滿足最小預(yù)充電時間tRP(min)。刷新周期的平均周期間隔為tREFI。

特點：

• 需要定期發(fā)出，以保持?jǐn)?shù)據(jù)不丟失。

• 刷新周期由內(nèi)部刷新控制器控制，不需要外部地址控制。

• 刷新命令的延遲（tRFC(min)）必須在下一次有效命令之前滿足。

2). Self-Refresh

自刷新操作（Self-Refresh Operation）是一種特殊的刷新模式，允許DDR3 SDRAM在沒有外部時鐘信號的情況下保持?jǐn)?shù)據(jù)。在這種模式下，DRAM內(nèi)部的定時器負(fù)責(zé)刷新操作，這在系統(tǒng)其他部分需要關(guān)閉電源時非常有用。

特點：

• 允許在沒有外部時鐘信號的情況下刷新內(nèi)存。

• 進入自刷新模式需要通過特定的命令序列，包括預(yù)充電所有Bank、設(shè)置自刷新命令（SRE）等。

• 退出自刷新模式也需要特定的命令序列，并且可能需要等待一段時間以確保內(nèi)部刷新完成。

• 在自刷新模式下，除了CKE和RESET#之外的所有外部控制信號都是“不要關(guān)心”的狀態(tài)。

3). 兩種刷新對比

• 應(yīng)用場景： Refresh Command適用于DDR3 SDRAM的正常操作期間，而Self-Refresh Operation適用于系統(tǒng)需要關(guān)閉電源或其他部分需要暫停時。

• 控制方式： Refresh Command需要外部系統(tǒng)定期發(fā)出，而Self-Refresh Operation由DRAM內(nèi)部定時器控制。

• 電源需求： Refresh Command需要外部時鐘信號，而Self-Refresh Operation可以在沒有外部時鐘信號的情況下進行。

• 復(fù)雜性： Refresh Command相對簡單，只需定期發(fā)出即可；Self-Refresh Operation則涉及更復(fù)雜的命令序列和狀態(tài)管理。

在實際應(yīng)用中，選擇使用Refresh Command還是Self-Refresh Operation取決于具體的應(yīng)用場景和電源管理需求。例如，在需要低功耗模式的便攜設(shè)備中，Self-Refresh Operation可能更為合適，因為它允許系統(tǒng)在不完全關(guān)閉的情況下減少功耗。而在高性能計算應(yīng)用中，可能更傾向于使用Refresh Command以確保數(shù)據(jù)的實時刷新。

1. 讀數(shù)據(jù)

在進入IDLE狀態(tài)后，就可以進行讀寫操作了。

IDLE->ACT->READ/READA->Precharge

1). 基本讀操作過程

1. 激活命令（ACTIVE Command）:

1. 首先，需要通過ACTIVE命令激活目標(biāo)Bank，這涉及到提供BA（Bank Address）和ROW地址。

2. 激活命令將選定的Bank和ROW置于活動狀態(tài)，以便進行后續(xù)的讀或?qū)懖僮鳌?

2. 讀命令（READ Command）:

1. 在Bank激活后，通過READ命令指定要讀取的列（COLUMN）地址。

2. 讀命令將數(shù)據(jù)從指定的ROW和COLUMN中讀出，并準(zhǔn)備通過DQ（數(shù)據(jù)）引腳輸出。

3. 數(shù)據(jù)輸出:

1. 讀取的數(shù)據(jù)通過DQ引腳輸出，并由DQS（數(shù)據(jù) strobe）信號進行同步。

2. 數(shù)據(jù)輸出遵循特定的時序，包括讀 preamble、數(shù)據(jù)保持時間和postamble。

4. 預(yù)充電命令（PRECHARGE Command）:

1. 讀操作完成后，需要通過PRECHARGE命令關(guān)閉當(dāng)前的Bank，以便進行下一次操作。

2. 預(yù)充電命令確保所有數(shù)據(jù)傳輸完成，并準(zhǔn)備Bank進入下一次激活狀態(tài)。

2). 不同情況下的讀操作

實際情況中，讀開始的時候DDR很大可能不是處于IDLE狀態(tài)，那么就需要等待其他操作處理完成，才能進行讀操作，這也會影響讀的延時。

正在進行Refresh時的讀操作:

• 如果在Refresh操作期間接收到READ命令，必須等待當(dāng)前的Refresh周期完成。

• 一旦Refresh周期完成，才能執(zhí)行READ命令，這可能會增加讀操作的延遲。

同一個Bank的連續(xù)讀操作:

• 如果連續(xù)讀取同一個Bank中的數(shù)據(jù)，可以省略重復(fù)的激活步驟，直接使用READ命令。

• 這種情況下，可以利用自動預(yù)充電功能（Auto Precharge），在讀取一個數(shù)據(jù)塊后自動預(yù)充電Bank。

不同Bank之間切換的讀操作:

• 當(dāng)需要從一個Bank切換到另一個Bank進行讀操作時，必須先預(yù)充電當(dāng)前Bank，然后激活目標(biāo)Bank。

• 這種情況下，需要確保滿足Bank間切換所需的最小時間間隔，如tRAS（Active to Precharge Delay）。

突發(fā)長度（Burst Length）和突發(fā)類型（Burst Type）:

• 讀操作可以配置不同的突發(fā)長度（如BL4, BL8）和突發(fā)類型（如Sequential, Interleave）。

• 突發(fā)長度和類型的選擇會影響數(shù)據(jù)的讀取順序和性能。

讀操作中的寫操作:

• 在讀操作期間，如果需要寫入數(shù)據(jù)，必須等待當(dāng)前的讀操作完成。

• 寫操作可能需要等待特定的寫入恢復(fù)時間（tWR），以確保數(shù)據(jù)的完整性。

讀操作中的命令沖突:

• 如果在讀操作期間接收到其他命令（如REFRESH, PRECHARGE），必須根據(jù)命令優(yōu)先級和時序要求進行處理。

• 例如，REFRESH命令通常具有最高優(yōu)先級，必須立即執(zhí)行。

  
  

1. 寫操作

進入IDLE狀態(tài)后就可以進行寫操作了。

IDLE->ACT->WRITE/WRITEA->Precharge

1). 基本寫操作過程

1. 激活命令（ACTIVE Command）:

1. 首先，需要通過ACTIVE命令激活目標(biāo)Bank，這涉及到提供BA（Bank Address）和ROW地址。

2. 激活命令將選定的Bank和ROW置于活動狀態(tài)，以便進行后續(xù)的寫操作。

2. 寫命令（WRITE Command）:

1. 在Bank激活后，通過WRITE命令指定要寫入的列（COLUMN）地址，并提供要寫入的數(shù)據(jù)。

2. 寫命令將數(shù)據(jù)寫入到指定的ROW和COLUMN中。

3. 數(shù)據(jù)輸入:

1. 要寫入的數(shù)據(jù)通過DQ引腳輸入，并由DQS（數(shù)據(jù) strobe）信號進行同步。

2. 數(shù)據(jù)輸入遵循特定的時序，包括寫 preamble、數(shù)據(jù)保持時間和postamble。

4. 預(yù)充電命令（PRECHARGE Command）:

1. 寫操作完成后，需要通過PRECHARGE命令關(guān)閉當(dāng)前的Bank，以便進行下一次操作。

2. 預(yù)充電命令確保所有數(shù)據(jù)傳輸完成，并準(zhǔn)備Bank進入下一次激活狀態(tài)。

2). 不同情況下的寫操作

同樣，實際情況中，寫開始的時候DDR很大可能不是處于IDLE狀態(tài)，那么就需要等待其他操作處理完成，才能進行寫操作，這也會影響寫的延時。

正在進行Refresh時的寫操作:

• 如果在Refresh操作期間接收到WRITE命令，必須等待當(dāng)前的Refresh周期完成。

• 一旦Refresh周期完成，才能執(zhí)行WRITE命令，這可能會增加寫操作的延遲。

同一個Bank的連續(xù)寫操作:

• 如果連續(xù)寫入同一個Bank中的數(shù)據(jù)，可以省略重復(fù)的激活步驟，直接使用WRITE命令。

• 這種情況下，可以利用自動預(yù)充電功能（Auto Precharge），在寫入一個數(shù)據(jù)塊后自動預(yù)充電Bank。

不同Bank之間切換的寫操作:

• 當(dāng)需要從一個Bank切換到另一個Bank進行寫操作時，必須先預(yù)充電當(dāng)前Bank，然后激活目標(biāo)Bank。

• 這種情況下，需要確保滿足Bank間切換所需的最小時間間隔，如tRAS（Active to Precharge Delay）。

突發(fā)長度（Burst Length）和突發(fā)類型（Burst Type）:

• 寫操作可以配置不同的突發(fā)長度（如BL4, BL8）和突發(fā)類型（如Sequential, Interleave）。

• 突發(fā)長度和類型的選擇會影響數(shù)據(jù)的寫入順序和性能。

寫操作中的讀操作:

• 在寫操作期間，如果需要讀取數(shù)據(jù)，必須等待當(dāng)前的寫操作完成。

• 讀操作可能需要等待特定的讀取恢復(fù)時間，以確保數(shù)據(jù)的完整性。

寫操作中的命令沖突:

• 如果在寫操作期間接收到其他命令（如REFRESH, PRECHARGE），必須根據(jù)命令優(yōu)先級和時序要求進行處理。

• 例如，REFRESH命令通常具有最高優(yōu)先級，必須立即執(zhí)行。

  
  

初始化、配置、刷新機制、數(shù)據(jù)傳輸這些就是DDR3的基本操作和所有使用DDR3的可能都操作。其他復(fù)雜的情況只是這些基本操作都組合。至于DDR4/DDR5甚至LPDDR4/5這些DDR，其操作也基本類似。所以先理解DDR3的基本操作，可以更容易理解以后復(fù)雜的操作和場景。

后紀(jì)

技術(shù)很重要，技術(shù)背后的思想更重要！

技術(shù)背后的某些思想就是你解決以后問題的鑰匙。我的文章可能一篇中知識點不太多，但是力求讓你能深入理解，為你進階打下基礎(chǔ)。如果有一點點收獲，也算是我對中國芯片行業(yè)的一點點貢獻吧。