SDRAM芯片的预充电与刷新操作

发 布 时 间 : 2009-07-08 来 源 : 来自网络 作 者 : 匿名 浏 览 :
预充电
由于SDRAM的寻址具体独占性,所以在进行完读写操作后,如果要对同一L-Bank的另一行进行寻址,就要将原来有效(工作)的行关闭,重新发送行/列地址。L-Bank关闭现有工作行,准备打开新行的操作就是预充电(Precharge)。预充电可以通过命令控制,也可以通过辅助设定让芯片在每次读写操作之后自动进行预充电。实际上,预充电是一种对工作行中所有存储体进行数据重写,并对行地址进行复位,同时释放S-AMP(重新加入比较电压,一般是电容电压的1/2,以帮助判断读取数据的逻辑电平,因为S-AMP是通过一个参考电压与存储体位线电压的比较来判断逻辑值的),以准备新行的工作。具体而言,就是将S-AMP中的数据回写,即使是没有南京背景板搭建工作过的存储体也会因行选通而使存储电容受到干扰,所以也需要S-AMP进行读后重写。此时,电容的电量(或者说其产生的电压)将是判断逻辑状态的依据(读取时也需要),为此要设定一个临界值,一般为电容电量的1/2,超过它的为逻辑1,进行重写,否则为逻辑0,不进行重写(等于放电)。为此,现在基本都将电容的另一端接入一个指定的电压(即1/2电容电压),而不是接地,以帮助重写时的比较与判断。
现在我们再回过头看看读写操作时的命令时序图,从中可以发现地址线A10控制着是否进行在读写之后当前L-Bank自动进行预充电,这就是上文所说的“辅助设定”。而在单独的预充电命令中,A10则控制着是对指定的L-Bank还是所有的L-Bank(当有多个L-Bank处于有效/活动状态时)进行预充电,前者需要提供L-Bank的地址,后者只需将A10信号置于高电平。
在发出预充电命令之后,要经过一段时间才能允许发送RAS行有效命令打开新的南京桁架搭建工作行,这个间隔被称为tRP(Precharge command Period,预充电有效周期)。和tRCD、CL一样,tRP的单位也是时钟周期数,具体值视时钟频率而定。

SDRAM芯片的预充电与刷新操作(图一)

读取时预充电时序图(上图可点击放大):图中设定:CL=2、BL=4、tRP=2。自动预充电时的开始时间与此图一样,只是没有了单独的预充电命令,并在发出读取命令时,A10地址线要设为高电平(允许自动预充电)。可见控制好预充电启动时间很重要,它可以在读取操作结束后立刻进入新行的寻址,保证运行效率。

误区:读写情况下都要考虑写回延迟
有些文章强调由于写回操作而使读/写操作后都有一定的延迟,但从本文的介绍中写可以看出,即使是读后立即重写的设计,由于是与数据输出同步进行,并不存在延迟。只有在写操作后进行其他的操作时,才会有这方面的影响。写操作虽然是0延迟进行,但每笔数据的真正写入则需要一个足够的周期来保证,这段时间就是写回周期(tWR)。所以预充电不能与写操作同时进行,必须要在tWR之后才能发出预充电命令,以确保数据的可靠写入,否则重写的数据可能是错的,这就造成了写回延迟。

SDRAM芯片的预充电与刷新操作(图二)

数据写入时预充电操作时序图(可点击放大):注意其中的tWR参数,由于它的存在,使预充电操作延后,从而造成写回延迟

刷新
之所以称为DRAM,就是因为它要不断进行刷新(Refresh)才能保留住数据,因此它是DRAM最重要的操作。
刷新操作与预充电中重写的操作一样,都是用S-AMP先读再写。但为什么有预充电操作还要进行刷新呢?因为预充电是对一个或所有L-Bank中的工作行操作,并且是不定期的,而刷新则是有固定的周期,依次对所有行进行操作,以保留那些久久没经历重写的存储体中的数据。但与所有L-Bank预充电不同的是,这里的行是指所有L-Bank中地址相同的行,而预充电中各L-Bank中的工作行地址并不是一定是相同的。
那么要隔多长时间重复一次刷新呢?目前公认的标准是,存储体中电容的数据有效保存期上限是64ms(毫秒,1/1000秒),也就是说每一行刷新的循环周期是64ms。这样刷新速度就是:行数量/64ms。我们在看内存规格时,经常会看到4096 Refresh Cycles/64ms或8192 Refresh Cycles/64ms的标识,这里的4096与8192就代表这个芯片中每个L-Bank的行数。刷新命令一次对一行有效,发送间隔也是随总行数而变化,4096行时为15.625μs(微秒,1/1000毫秒),8192行时就为7.8125μs。
刷新操作分为两种:自动刷新(Auto Refresh,简称AR)与自刷新(Self Refresh,简称SR)。不论是何种刷新方式,都不需要外部提供行自吸式射流曝气机地址信息,因为这是一个内部的自动操作。对于AR, SDRAM内部有一个行地址生成器(也称刷新计数器)用来自动的依次生成行地址。由于刷新是针对一行中的所有存储体进行,所以无需列寻址,或者说CAS在RAS之前有效。所以,AR又称CBR(CAS Before RAS,列提前于行定位)式刷新。由于刷新涉及到所有L-Bank,因此在刷新过程中,所有L-Bank都停止工作,而每次刷新所占用的时间为9个时钟周期(PC133标准),之后就可进入正常的工作状态,也就是说在这9 个时钟期间内,所有工作指令只能等待而无法执行。64ms之后则再次对同一行进行刷新,如此周而复始进行循环刷新。显然,刷新操作肯定会对SDRAM的性能造成影响,但这是没办法的事情,也是DRAM相对于SRAM(静态内存,无需刷新仍能保留数据)取得成本优势的同时所付出的代价。
SR则主要用于休眠模式低功耗状态下的数据保存,这方面最著名的应用就是STR(Suspend to RAM,休眠挂起于内存)。在发出AR命令时,将CKE置于无效状态,就进入了SR模式,此时不再依靠系统时钟工作,而是根据内部的时钟进行刷新操作。在SR期间除了CKE之外的所有外部信号都是无效的(无需外部提供刷新指令),只有重新使CKE有效才能退出自刷新模式并进入正常操作状态。
数据掩码
在讲述读/写操作时,我们谈到了突发长度。如果BL=4,那么也就是说一次就传送4×64bit的数据。但是,如果其中的第二笔数据是不需要的,怎么办?还都传输吗?为了屏蔽潜水射流曝气机的数据,人们采用了数据掩码(Data I/O Mask,简称DQM)技术。通过DQM,内存可以控制I/O端口取消哪些输出或输入的数据。这里需要强调的是,在读取时,被屏蔽的数据仍然会从存储体传出,只是在“掩码逻辑单元”处被屏蔽。DQM由北桥控制,为了精确屏蔽一个P-Bank位宽中的每个字节,每个DIMM有8个DQM信号线,每个信号针对一个字节。这样,对于4bit位宽芯片,两个芯片共用一个DQM信号线,对于8bit位宽芯片,一个芯片占用一个DQM信号,而对于16bit位宽芯片,则需要两个DQM引脚。
SDRAM官方规定,在读取时DQM发出两个时钟周期后生效,而在写入时,DQM与写入命令一样是立即成效。

SDRAM芯片的预充电与刷新操作(图三)

读取时数据掩码操作,DQM在两个周期后生效,突发周期的第二笔数据被取消(上图可点击放大)

SDRAM芯片的预充电与刷新操作(图四)

写入时数据掩码操作,DQM立即生效,突发周期的第二笔数据被取消(上图可点击放大)

有关内存内部的基本操作就到此结束,其实还有很多内存的操作没有描述,但都不是很重要了,限于篇幅与必要性,我们不在此介绍,有兴趣的读者可以自行查看相关资料。

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