ARM的SDRAM模塊概述

樊泰倫+何謙+梁熙達(dá)

摘 要：ARM系統(tǒng)之中能夠作為高速緩存的有靜態(tài)RAM、動(dòng)態(tài)RAM、FLSAHROM三種。而動(dòng)態(tài)RAM又分為SDRAM和DDR兩種，SDRAM具有高速，大容量等優(yōu)點(diǎn)，是一種具有同步接口技術(shù)的高速動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。根據(jù)設(shè)計(jì)的性價(jià)比，我們可以采用SDRAM實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，但由于SDRAM的讀寫、刷新等命令操作的時(shí)序要求比較嚴(yán)格，因此SDRAM的控制設(shè)計(jì)也就成了我們探討的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：ARM；DARAM；高速動(dòng)態(tài)隨機(jī)

在當(dāng)前世界背景下，嵌入式系統(tǒng)無疑是當(dāng)前最熱門、最有發(fā)展前途的IT應(yīng)用領(lǐng)域之一。嵌入式系統(tǒng)用在一些特定專用設(shè)備上，通常這些設(shè)備的硬件資源，非常有限，如處理器、存儲(chǔ)器等，并且對(duì)成本很敏感，有時(shí)對(duì)實(shí)時(shí)響應(yīng)要求很高等。特別是隨著消費(fèi)家電的智能化，嵌入式更顯重要。例如，我們平時(shí)看到的手機(jī)、機(jī)頂盒（Set Top Box）、高清電視（HDTV）、游戲機(jī)、智能玩具、交換機(jī)、路由器等，都是典型的嵌入式系統(tǒng)。而在嵌入式系統(tǒng)高速發(fā)展的同時(shí)，為嵌入式系統(tǒng)作為存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)器的選擇也就變得可圈可點(diǎn)了。

對(duì)于嵌入式的存儲(chǔ)器，我們就談?wù)凷DRAM吧，現(xiàn)在市面上流通的SDRAM已經(jīng)是第五代了。在其之前，還有一代的SDR SDRAM、二代的DDR SDRAM、三代的DDR2 SDRAM、四代的DDR3 SDRAM和我們現(xiàn)在看到的第五代DDR4 SDRAM，也就是大家說的SDRAM。

一代SDRAM采用SE（Single-Ended）時(shí)鐘信號(hào)，第二代、第三代與第四代由于工作頻率比較快，所以采用可降低干擾的差分時(shí)鐘信號(hào)作為同步時(shí)鐘。五代則在這方面更勝一籌，即結(jié)構(gòu)、時(shí)序與性能的關(guān)系。

對(duì)SDRAM模塊做一個(gè)分析，我們首先要分析一下影響性能的主要參數(shù)有哪些：

在理想的情況下，SDRAM的帶寬，頻率與位寬固定后，帶寬也就不可更改了，在內(nèi)存的工作周期內(nèi)，帶寬不可能一直處于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)，因?yàn)橐忻睢ぶ返缺匾倪^程。因此，這些操作占用的時(shí)間越短，內(nèi)存工作的效率越高，性能也就越好。

非數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間的主要組成部分就是各種延遲與潛伏期。TRCD（RAS-TO-CAS Delay）“行尋址至列尋址延遲時(shí)間”、CL（CAS Latency）：“內(nèi)存讀寫操作前列地址控制器的潛伏時(shí)間”TRP（RAS Precharge Time）：“內(nèi)存行地址控制器預(yù)充電時(shí)間”。

在內(nèi)存中讀取時(shí)可能遇到：

第一，要尋址的行與L-Bank的所有行是關(guān)閉的，此時(shí)可直接發(fā)送行有效命令，數(shù)據(jù)讀取前的總耗時(shí)為TRCD+CL。這種情況，我們稱之為PH（頁命中，Page Hit）。

第二，當(dāng)系統(tǒng)的尋址操作要尋址的行正好是前一個(gè)操作的工作行。也就是說，要尋址的行已經(jīng)處于選通有效狀態(tài)，此時(shí)可直接發(fā)送列尋址命令，數(shù)據(jù)讀取前的總耗時(shí)僅為CL。這就是BTB尋址，我們稱之為PFH/PDH（頁快速/直接命中，Page Fast/Direct Hit）。

第三，“尋址沖突”要尋址的行所在的L-Bank中已經(jīng)有一個(gè)行處于活動(dòng)狀態(tài)（未關(guān)閉），此時(shí)就必須要進(jìn)行預(yù)充電來關(guān)閉工作行。在尋址沖突后再對(duì)新行發(fā)送行有效命令，總耗時(shí)就是TRP+TRCD+CL。這種情況，我們稱之為PM（頁錯(cuò)失，Page Miss）。

顯然，PFH是最理想的尋址情況，PM則是最糟糕的尋址情況。上述三種情況發(fā)生的機(jī)率各自簡(jiǎn)稱為PHR——PH Rate、PFHR——PFH Rate、PMR——PM Rate。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的理想都是盡量想提高PHR與PFHR，同時(shí)減少PMR，以達(dá)到提高內(nèi)存工作效率的目的。

目前，有兩種方法來盡量提高PHR，從而達(dá)到我們的目的。自動(dòng)預(yù)充電技術(shù)就是其中之一，它自動(dòng)地在每次行操作之后進(jìn)行預(yù)充電，從而減少了日后對(duì)同一L-Bank不同行尋址時(shí)發(fā)生沖突的可能性。基于這個(gè)，有些人就想了，那自己要是在當(dāng)前行工作完成后馬上打開同一L-Bank的另一行時(shí)，會(huì)不會(huì)存在延遲，要是有，又該怎么辦？于是，L-Bank交錯(cuò)預(yù)充電方法出現(xiàn)了。

第四，路交錯(cuò)式內(nèi)存控制在VIA控制下只要對(duì)下一個(gè)要工作的L-Bank進(jìn)行預(yù)充電。這時(shí)，預(yù)充電與數(shù)據(jù)的傳輸可以交錯(cuò)執(zhí)行，通過跳過TRP可以直接進(jìn)入行的有效狀態(tài)。

但是事實(shí)上，無論是自動(dòng)預(yù)充電，還是交錯(cuò)工作的方法都無法消除TRCD所帶來的延遲。如果有可能解決這個(gè)問題，就要盡量讓一個(gè)工作行在進(jìn)行預(yù)充電前盡可能多地接收多個(gè)工作命令，以達(dá)到BTB的效果，當(dāng)行打開的狀態(tài)一直保持。在此期間對(duì)該行的任何讀寫操作也就不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存行地址控制器預(yù)充電時(shí)間的延遲，這是決定其內(nèi)存性能的重要因素之一。

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