DDR SDRAM 学习笔记

一、基本知识

1.SDRAM

SDRAM : 即同步动态随机存储器（Synchronous Dynamic Random Access Memory）, 同步是指其时钟频率与对应控制器（CPU/FPGA）的系统时钟频率相同，并且内部命令 的发送与数据传输都是以该时钟为基准；动态是指存储阵列需要不断的刷新来保证数据不丢失；随机指数据的读取和写入可以随机指定地址，而不是必须按照严格的线性次序变化。

SDRAM 使用电容的电荷存储特性存储数据，而 SRAM使用CMOS晶体管存储数据，这决定了SDRAM的运行功耗要远远低于SRAM。由于使用晶体管存储数据，要能够正确的存储一位数据，需要最少6个晶体管。因此，从芯片面积上来说，单片SRAM芯片的容量不可能做到很高。

2.发展

SDRAM从发展到现在已经经历了五代，分别是：

第一代：SDR SDRAM，

第二代：DDR SDRAM，

第三代：DDR2 SDRAM，

第四代：DDR3 SDRAM，

第五代：DDR4 SDRAM。

第一代SDRAM采用单端（Single-Ended）时钟信号，第二、三、四、五代由于工作频率比较快（100MHz以上称为高频时钟），所以采用可降低干扰的差分时钟信号作为同步时钟。

差分时钟的P线与N线电平相反，而外界影响对变化沿作用等同，故外界干扰可通过两根线的处理相互抵消：如图，数据在PN的变化沿交叉处传输，由图可知时钟的高电平周期和低电平周期长度达到一致，如果不用差分时钟，则长短不一；控制信号与地址信号则只在P线的上升沿与N线的下降沿交叉处采集，从而起到触发时钟校准的作用。

SDR SDRAM的时钟频率就是数据存储的频率，第一代内存用时钟频率命名，如pc100，pc133则表明时钟信号为100或133MHz，数据读写速率也为100或133MHz。之后的第二，三，四代DDR（Double Data Rate）内存则采用数据读写速率作为命名标准，并且在前面加上表示其DDR代数的符号，PC-即DDR，PC2=DDR2，PC3=DDR3。如PC2700是DDR333，其工作频率是333/2=166MHz，2700表示带宽为2.7G。

DDR 设备： 1. 功能上实现双速率 2. 增加了差分时钟线（clk，clk_n） 3. 电压等级 SSTL_25 2.5V） 4. 增加了数据线（DQ）的随路时钟（DQS，DQS_n） 5. 速度达到400M (Mbit/s)

DDR2 设备： 1. 电压等级进一步减低（ SSTL_18 ） 2. 增加了 ODT（On-Die Termination） 3. 内部 4Bit 预读结构 4. 速度最高达到 1066 (Mbit/s)

DDR3设备：内部 8Bit 预读结构

3.关键时序

时序上，看数据与时钟的对齐位置：

4.应用

为什么要用DDR这些存储器？（高速大容量）

1.大容量需求：DDR3、DDR4和DDR5的最大容量可以达到64GB、128GB和2TB。

2.高速度需求：DDR3内存传输速率可以达到800Mhz-1600MHz，带宽可以达到12.8-16GB/s，更新代的可以更高。

可用于如图像处理等应用，作为数据缓存区。

5.新概念：预读取

        由于存储器内部支持的最高读取速率是固定的（即内核时钟频率），且只能在上升沿/下降沿读取数据，不能双沿读取，想要提高数据通信带宽，只能通过预读取更高位宽的数据，然后用更高频率的时钟双沿分段送出这些预读取的数据来实现。比如：存储器内部支持的内核时钟最高读取速率是200M，接口数据引脚位宽为16bit，假设每周期读取16位数据，则存储器通信带宽为：200M * 16 =3600Mbit/s ; 对于双数据速率接口，我们要求时钟双沿都读取数据，假如此时接口时钟也为200MHz，那么一个周期就要处理32位数据，所以存储器应该预读取32位数据，此时接口通信带宽为200M * 16 * 2 = 7200 Mbit/s；当我想要提高通信带宽为14400Mbit/s时，即200M * 2 * 16 * 2 = 14400Mbit/s，这时候就需要用200M时钟预读取 2 * 2 * 16= 64 bit位宽的数据，然后用400M的时钟双沿送出即可（存储器内核200MHz时钟一周期单沿读出64bit数据，400MHz接口时钟双沿传输，则刚好能在一个200MHz时钟周期内送出 2*2*16 = 64 bit）。

       也就是说，用高速时钟传输低速时钟存取的数据，相当于低速时钟一次性读取出高位宽的数据放在寄存器里，然后用高速时钟分段传输。

        ddr3接口时钟频率较高，如400MHz等，而FPGA内部的时钟一般100MHz、200MHz就已经很高的了；为了建立FPGA与DDR3的通信，FPGA内部专门设计了一个转换的物理层PHY，通过选择ratio，如4：1，则可以实现ddr3接口时钟用400MHz，而FPGA内部时钟用100MHz，这样一来FPGA存取数据均用的是100MHz。一般来说，这个PHY会有FIFO来缓存转换。

6.学习方法

        DDR与SDR SDRAM底层时序上的区别并不大，但我们一般使用用户接口（IP核）来控制，不自己写代码，因为要作很多优化。我们只需要例化IP核，然后根据需求进行简化封装即可。一般IP核会为我们提供用户接口，可以直接使用（部分IP核可提供AXI4接口，一般用于与NISO II 软核通信）。

        一般来说，学习一个复杂的IP核，最直观的学习方式就是通过其仿真模型进行仿真，观察其工作时序，抓住需要重点关注的信号观察。在这里我们需要关注用户接口信号。