《SDRAM工作原理》課件

SDRAM工作原理本次演示將深入探討SDRAM的工作原理，包括其結(jié)構(gòu)、操作和性能指標(biāo)。我們將從基礎(chǔ)概念開始，逐步深入到具體的工作機(jī)制和應(yīng)用場(chǎng)景。SDRAM概述同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器高速內(nèi)存技術(shù)廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)和嵌入式系統(tǒng)與系統(tǒng)時(shí)鐘同步工作SDRAM結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)陣列由行和列組成的二維矩陣結(jié)構(gòu)，每個(gè)交叉點(diǎn)是一個(gè)存儲(chǔ)單元?？刂七壿嬝?fù)責(zé)解碼命令和地址信號(hào)，控制讀寫操作。I/O緩沖器用于數(shù)據(jù)的臨時(shí)存儲(chǔ)和傳輸，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。內(nèi)存容量及尋址1總?cè)萘客ǔＲ訫B或GB為單位2存儲(chǔ)陣列行數(shù)x列數(shù)x位寬3尋址方式行地址+列地址4Bank結(jié)構(gòu)多個(gè)獨(dú)立存儲(chǔ)陣列時(shí)鐘信號(hào)同步操作所有操作都與系統(tǒng)時(shí)鐘同步，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和效率。工作頻率決定了SDRAM的數(shù)據(jù)傳輸速率，通常為100MHz-200MHz。時(shí)鐘邊沿SDRAM在時(shí)鐘的上升沿采樣命令和地址信號(hào)。命令信號(hào)激活(ACT)選擇一個(gè)特定的行，準(zhǔn)備讀寫操作。讀取(READ)從已激活的行中讀取數(shù)據(jù)。寫入(WRITE)向已激活的行寫入數(shù)據(jù)。預(yù)充電(PRE)關(guān)閉當(dāng)前打開的行，為下一次訪問(wèn)做準(zhǔn)備。地址信號(hào)1行地址用于選擇特定的行，通常在激活命令時(shí)提供。2列地址用于選擇特定的列，通常在讀寫命令時(shí)提供。3Bank地址用于選擇特定的Bank，提高并行訪問(wèn)能力。數(shù)據(jù)信號(hào)雙向數(shù)據(jù)總線用于讀取和寫入操作的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)掩碼允許在寫操作中選擇性地寫入特定字節(jié)。數(shù)據(jù)選通指示有效數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間。讀取操作1激活行發(fā)送ACT命令和行地址2發(fā)送讀取命令提供列地址3等待潛伏期CAS延遲4接收數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)總線讀取寫入操作1激活行發(fā)送ACT命令和行地址，打開目標(biāo)行。2發(fā)送寫入命令提供列地址和要寫入的數(shù)據(jù)。3數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)單元。4預(yù)充電關(guān)閉行，為下一次訪問(wèn)做準(zhǔn)備。刷新操作自動(dòng)刷新定期進(jìn)行，由內(nèi)部計(jì)數(shù)器控制。每個(gè)刷新周期內(nèi)刷新多行。自刷新在低功耗模式下，SDRAM自主執(zhí)行刷新操作，無(wú)需外部控制。刷新間隔通常為64ms，在此期間所有行必須被刷新一次。存儲(chǔ)單元原理電容存儲(chǔ)每個(gè)單元由一個(gè)晶體管和一個(gè)電容組成。電荷表示電容的充放電狀態(tài)表示0或1。電荷泄漏需要定期刷新以保持?jǐn)?shù)據(jù)。DRAM工作原理1動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)需要刷新2隨機(jī)訪問(wèn)任意地址直接訪問(wèn)3讀寫操作電荷檢測(cè)和修改4行列尋址二維矩陣結(jié)構(gòu)5周期性刷新維持?jǐn)?shù)據(jù)完整性行地址選擇發(fā)送行地址控制器向SDRAM發(fā)送行地址。行解碼器激活選擇特定的行。感測(cè)放大器充電讀取整行數(shù)據(jù)到行緩沖器。列地址選擇1發(fā)送列地址控制器提供列地址信息。2列解碼器激活選擇特定的列。3數(shù)據(jù)傳輸從行緩沖器傳輸選定列的數(shù)據(jù)。4I/O緩沖數(shù)據(jù)通過(guò)I/O緩沖器傳輸?shù)酵獠俊Ｗx/寫操作讀操作從選定的存儲(chǔ)單元讀取數(shù)據(jù)，通過(guò)感測(cè)放大器放大，然后傳輸?shù)絀/O緩沖器。寫操作將數(shù)據(jù)寫入I/O緩沖器，然后通過(guò)感測(cè)放大器寫入選定的存儲(chǔ)單元。預(yù)充電操作完成后，對(duì)行進(jìn)行預(yù)充電，為下一次訪問(wèn)做準(zhǔn)備。刷新操作自動(dòng)刷新控制器定期發(fā)送刷新命令，SDRAM自動(dòng)刷新多行。分布式刷新將刷新操作分散在多個(gè)時(shí)間點(diǎn)，減少對(duì)正常操作的干擾。刷新計(jì)數(shù)器內(nèi)部計(jì)數(shù)器跟蹤刷新進(jìn)度，確保所有行都得到刷新。刷新時(shí)間每64ms內(nèi)完成所有行的刷新，保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性。突發(fā)模式讀寫1激活行發(fā)送ACT命令和行地址。2設(shè)置突發(fā)長(zhǎng)度指定連續(xù)讀寫的數(shù)據(jù)量。3發(fā)送讀/寫命令提供起始列地址。4連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸自動(dòng)增加列地址，連續(xù)讀寫多個(gè)數(shù)據(jù)。SDRAM性能指標(biāo)速度包括訪問(wèn)時(shí)間和數(shù)據(jù)傳輸率。帶寬單位時(shí)間內(nèi)可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。功耗運(yùn)行和待機(jī)狀態(tài)下的能量消耗。延遲從發(fā)出命令到數(shù)據(jù)可用的時(shí)間。訪問(wèn)時(shí)間10-20ns行訪問(wèn)時(shí)間從發(fā)送行地址到行激活完成的時(shí)間。5-10ns列訪問(wèn)時(shí)間從發(fā)送列地址到數(shù)據(jù)可用的時(shí)間。20-30ns總訪問(wèn)時(shí)間完成一次隨機(jī)讀寫操作的總時(shí)間。帶寬理論帶寬時(shí)鐘頻率x數(shù)據(jù)位寬x2（DDR）。例如：200MHzx64bitx2=3.2GB/s。實(shí)際帶寬受刷新、命令延遲等因素影響，通常為理論帶寬的70%-80%。突發(fā)模式通過(guò)連續(xù)訪問(wèn)提高有效帶寬，減少地址傳輸開銷。功耗1活動(dòng)功耗讀寫操作時(shí)的能量消耗2待機(jī)功耗閑置狀態(tài)下的能量消耗3自刷新功耗低功耗模式下的能量消耗4節(jié)能技術(shù)電源管理和低功耗模式SDRAM發(fā)展歷程11993年SDRAM首次商業(yè)化。21997年P(guān)C100SDRAM標(biāo)準(zhǔn)化。32000年DDRSDRAM投入使用。42003年DDR2SDRAM推出。52007年DDR3SDRAM成為主流。EDODRAM擴(kuò)展數(shù)據(jù)輸出允許在下一個(gè)CAS周期開始前訪問(wèn)數(shù)據(jù)。性能提升比FPMDRAM快約10-15%。工作頻率通常在40-50MHz范圍內(nèi)。過(guò)渡技術(shù)SDRAM出現(xiàn)前的主要DRAM類型。FPMDRAM快頁(yè)模式允許在同一行內(nèi)快速訪問(wèn)多個(gè)列。性能特點(diǎn)比傳統(tǒng)DRAM快，但比EDODRAM慢。工作頻率通常在25-40MHz范圍內(nèi)。歷史地位90年代早期的主流內(nèi)存技術(shù)。SDRAM同步設(shè)計(jì)與系統(tǒng)時(shí)鐘同步工作，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。突發(fā)模式支持連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸，大幅提高帶寬。工作頻率66MHz到133MHz，后期甚至達(dá)到166MHz。DDRSDRAM雙倍數(shù)據(jù)率在時(shí)鐘的上升沿和下降沿都傳輸數(shù)據(jù)，理論帶寬翻倍。工作頻率200MHz到400MHz，有效頻率達(dá)到400MHz到800MHz。效率提升相比SDRAM，性能提升顯著，功耗相對(duì)降低。DDR2SDRAM更高頻率工作頻率達(dá)到400MHz到800MHz。內(nèi)部四倍速內(nèi)部運(yùn)行速度是外部總線速度的四倍。更低功耗采用1.8V供電，比DDR的2.5V更節(jié)能。DDR3SDRAM1高頻率800MHz到2133MHz2大帶寬最高達(dá)到17GB/s3低功耗1.5V或1.35V供電4高效預(yù)取8位預(yù)取緩沖DDR4SDRAM2133MHz基礎(chǔ)頻率DDR4的起始頻率，相當(dāng)于DDR3的最高頻率。3200MHz高端頻率高性能DDR4模塊的常見頻率。1.2V工作電壓比DDR3進(jìn)一步降低，提高能效。SDRAM應(yīng)用場(chǎng)景計(jì)算機(jī)系統(tǒng)臺(tái)式電腦通常使用DIMM模塊，容量從4GB到64GB不等。筆記本電腦使用SO-DIMM模塊，更小巧，容量通常在4GB到32GB之間。服務(wù)器使用ECC內(nèi)存，容量可達(dá)數(shù)百GB，注重穩(wěn)定性和可靠性。嵌入式系統(tǒng)智能手機(jī)使用低功耗LPDDRSDRAM，集成在SoC中，容量從2GB到12GB不等。汽車電子需要高可靠性和寬溫度范圍的SDRAM，用于信