SDRAM的结构、时序与性能的关系

发 布 时 间 : 2009-07-08 来 源 : 来自网络 作 者 : 匿名 浏 览 :

在讲完SDRAM的基本工作原理和主要操作之后,我们现在要重要分析一下SDRAM的时序与性能之间的关系,它不在局限于芯片本身,而是从整体的内存系统去分析。这也是广大DIYer所关心的话题。比如CL值对性能的影响有多大几乎是每个内存论坛都会有讨论,今天我们就详细探讨一下,其中的很多内容同样适用于DDR与RDRAM。这里需要强调一点,对于内存系统整体而言,一次内存访问就是对一个页的访问,这个页的定义已经在解释Full Page含义时讲明了。由于在P-Bank中,每个芯片的寻址都是一样的,所以可以将页访问“浓缩”等效为对每芯片中指定行的访问,这样可能比较好理解。但为了与官方标准统一,在下文中会经常用页来描述相关的内容,请读者注意理解。


一、影响性能的主要时序参数

所谓的影响性能是并不是指SDRAM的带宽,频率与位宽固定后,带宽也就不可更改了。但这是理想的情况,在内存的工作周期内,不可能总处于数据传输的状态,因为要有命令、寻址等必要的过程。但这些操作占用的时间越短,内存工作的效率越高,性能也就越好。
非数据传输时间的主要组成部分就是各种延迟与潜伏期。通过上文的讲述,大家应该很明显看出有三个参数对内存的性能影响至关重要,它们是tRCD、CL和tRP。每条正规的内存模组都会在标识上注明这三个参数值,可见它们对性能的敏感性。
以内存最主要的操作——读取为例。tRCD决定了行寻址(有效)至列寻址(读/写命令)之间的间隔,CL决定了列寻址到数据进行真正被读取所花费的时间,tRP则决定了相同L-Bank中不同工作行转换的速度。现在可以想象一下读取时可能遇到的几种情况(分析写入操作时不用考虑CL即可):
1、要寻址的行与L-Bank是空闲的。也就是说该L-Bank的所有行是关闭的,此时可直接发送行有效命令,数据读取前的总耗时为tRCD+CL,这种情况我们称之为页命中(PH,Page Hit)。
2、要寻址的行正好是前一个操作的工作行,也就是说要寻址的行已经处于选通有效状态,此时可直接发送列寻址命令,数据读取前的总耗时仅为CL,这就是所谓的背靠背(Back to Back)寻址,我们称之为页快速命中(PFH,Page Fast Hit)或页直接命中(PDH,Page Direct Hit)。
3、要寻址的行所在的L-Bank中已经有一个行处于活动状态(未关闭),这种现象就被称作寻址冲突,此时就必须要进行预充电来关闭工作行,再对新行发送行有效命令。结果,总耗时就是tRP+tRCD+CL,这种情况我们称之为页错失(PM,Page Miss)。
显然,PFH是最理想的寻址情况,PM则是最糟糕的寻址情况。上述三种情况发生的机率各自简称为PHR——PH Rate、PFDR——PFH Rate、PMR——PM Rate。因此,系统设计人员(包括内存与北桥芯片)都尽量想提高PHR与PFHR,同时减少PMR,以达到提高内存工作效率的目的。

二、增加PHR的方法
显然,这与预充电管理策略有着直接的关系,目前有两种方法来尽量提高PHR。自动预充电技术就是其中之一,它自动的在每次行操作之后进行预充电,从而减少了日后对同一L-Bank不同行寻址时发生冲突的可能性。但是,如果要在当前行工作完成后马上打开同一L-Bank的另一行工作时,仍然存在tRP的延迟。怎么办? 此时就需要L-Bank交错预充电了。
VIA的4路交错式内存控制就是在一个L-Bank工作时,对下一个要工作的L-Bank进行预充电。这样,预充电与数据的传输交错执行,当访问下一个L-Bank时,tRP已过,就可以直接进入行有效状态了。目前VIA声称可以跨P-Bank进行16路内存交错,并以LRU算法进行预充电管理。
有关L-Bank交错预充电(存取)的具体执行在本刊2001年第2期已有详细介绍,这里就不再重复了。

SDRAM的结构、时序与性能的关系(上)(图一)

L-Bank交错自动预充电/读取时序图(可点击放大):L-Bank 0与L-Bank 3实现了无间隔交错读取,避免了tRP对性能的影响 三、增加PFHR的方法

无论是自动预充电还是交错工作的方法都无法消除tRCD所带来的延迟。要解决这个问题,就要尽量让一个工作行在进行预充电前尽可能多的接收多个工作命令,以达到背靠背的效果,此时就只剩下CL所造成的读取延迟了(写入时没有延迟)。
如何做到这一点呢?这就是北桥芯片的责任了。在上文的时序图中有一个参数tRAS(Active to Precharge Command,行有效至预充电命令间隔周期)。它有一个范围,对于PC133标准,一般是预充电命令至少要在行有效命令5个时钟周期之后发出,最长间隔视芯片而异(基本在120000ns左右),否则工作行的数据将有丢失的危险。那么这也就意味着一个工作行从有效(选通)开始,自吸式射流曝气机可以有120000ns的持续工作时间而不用进行预充电。显然,只要北桥芯片不发出预充电(包括允许自动预充电)的命令,行打开的状态就会一直保持。在此期间的对该行的任何读写操作也就不会有tRCD的延迟。可见,如果北桥芯片在能同时打开的行(页)越多,那么PFHR也就越大。需要强调的是,这里的潜水射流曝气机同时打开不是指对多行同时寻址(那是不可能的),而是指多行同时处于选通状态。我们可以看到一些SDRAM芯片组的资料中会指出可以同时打开多少个页的指标,这可以说是决定其内存性能的一个重要因素。

SDRAM的结构、时序与性能的关系(上)(图二)

Intel 845芯片组MCH的资料:其中表明它可以支持24个页面同时处于打开状态

但是,可同时打开的页数也是有限制的。从SDRAM的寻址原理讲,同一L-Bank中不可能有两个打开的行(S-AMP只能为一行服务),这就限制了可同时打开的页面总数。以SDRAM有4个L-Bank,北桥最多支持8个P-Bank为例,理论上最多只能有32个页面能同时处于打开的状态。而如果只有一个P-Bank,那么就只剩下4个页面,因为有几个L-Bank才能有同时打开几个行而互不干扰南京桁架搭建。Intel 845的MHC虽然可以支持24个打开的页面,那也是指6个P-Bank的情况下(845MCH只支持6个P-Bank)。可见845已经将同时打开页数发挥到了极致。
不过,同时打开页数多了,也对存取策略提出了一定的要求。理论上,要尽量多地使用已打开的页来保证最短的延迟周期,只有在数据不存在(读取时)或页存满了(写入时)再考虑打开新的指定页,这也就是变向的连续读/写。而打开新页时就必须要关闭一个打开的页,如果此时打开的页面已是北桥所支持的最大值但还不到理论极限的话,就需要一个替换策略,一般都是用LRU算法来进行,这与VIA的交错控制大同小异。

SDRAM的结构、时序与性能的关系(上)(图三)


所谓的影响性能是并不是指SDRAM的带宽,频率与位宽固定后,带宽也就不可更改了。但这是理想的情况,在内存的工作周期内,不可能总处于数据传输的状态,因为要有命令、寻址等必要的过程。但这些操作占用的时间越短,内存工作的效率越高,性能也就越好。
非数据传输时间的主要组成部分就是各种延迟与潜伏期。通过上文的讲述,大家应该很明显看出有三个参数对内存的性能影响至关重要,它们是tRCD、CL和tRP。南京背景板搭建每条正规的内存模组都会在标识上注明这三个参数值,可见它们对性能的敏感性。
以内存最主要的操作——读取为例。tRCD决定了行寻址(有效)至列寻址(读/写命令)之间的间隔,CL决定了列寻址到数据进行真正被读取所花费的时间,tRP则决定了相同L-Bank中不同工作行转换的速度。现在可以想象一下读取时可能遇到的几种情况(分析写入操作时不用考虑CL即可):
1、要寻址的行与L-Bank是空闲的。也就是说该L-Bank的所有行是关闭的,此时可直接发送行有效命令,数据读取前的总耗时为tRCD+CL,这种情况我们称之为页命中(PH,Page Hit)。
2、要寻址的行正好是前一个操作的工作行,也就是说要寻址的行已经处于选通有效状态,此时可直接发送列寻址命令,数据读取前的总耗时仅为CL,这就是所谓的背靠背(Back to Back)寻址,我们称之为页快速命中(PFH,Page Fast Hit)或页直接命中(PDH,Page Direct Hit)。
3、要寻址的行所在的L-Bank中已经有一个行处于活动状态(未关闭),这种现象就被称作寻址冲突,此时就必须要进行预充电来关闭工作行,再对新行发送行有效命令。结果,总耗时就是tRP+tRCD+CL,这种情况我们称之为页错失(PM,Page Miss)。
显然,PFH是最理想的寻址情况,PM则是最糟糕的寻址情况。上述三种情况发生的机率各自简称为PHR——PH Rate、PFDR——PFH Rate、PMR——PM Rate。因此,系统设计人员(包括内存与北桥芯片)都尽量想提高PHR与PFHR,同时减少PMR,以达到提高内存工作效率的目的。

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