FPGA逻辑设计回顾（10）DDR/DDR2/DDR3中的时序参数的含义

前言

上篇文章：FPGA逻辑设计回顾（9）DDR的前世今生以及演变过程中的技术差异有提到，制造商会以一系列由破折号隔开的数字来宣布存储时序（例如5-5-5-5、7-10-10-10等）。 CAS延迟始终是这些序列中的第一个数字。

那其他的数字呢？这篇文章会讲这些数字代表的含义讲解清楚。

内存参数标识含义

DDR、DDR2和DDR3内存是根据其工作的最高速度和时序来分类的，时序是3-4-4-8、5-5-5-15、7-7-7-21或9-9-9-24等数字，越低越好。下面解释这些数字的含义。

DDR、DDR2和DDR3内存遵循DDRxxx/PCyyyy分类。 第一个数字xxx表示该内存芯片支持的最高时钟速度。例如，DDR400内存的最高工作频率为400MHz，DDR2-800的最高工作频率为800MHz，DDR3-1333的最高工作频率为1,333MHz。需要注意的是，这并不是内存的真实时钟速度。DDR、DDR2和DDR3内存的实际时钟是标注时钟速度的一半。因此DDR400内存的工作频率为200MHz，DDR2-800内存的工作频率为400MHz，DDR3-1333内存的工作频率为666MHz。

第二个数字表示该内存达到的最大传输速率，单位为MB/s。DDR400内存传输数据的速度最高为3,200MB/s，因此被标记为PC3200。DDR2-800内存传输数据的速度为6400MB/s，他们被标注为PC2-6400。而DDR3-1333内存可以以10664MB/s的速度传输数据，它们被标注为PC3-10600或PC3-10666。正如你所看到的，我们在 “DDR “或 “PC “后面用数字 “2 “或 “3 “来表示我们说的是DDR2或DDR3内存，而不是DDR。

第一个分类，DDRxxx，是用来划分内存芯片的标准，而第二个分类，PCyyyy，是用来划分内存模块的标准。

这在上一篇文章中也说了：

从理论上讲，该命名系统DDRx-yyyy（其中x是技术世代，yyyy是DDR时钟速率）仅用于存储芯片。内存模块（用于焊接内存芯片的小印刷电路板）使用不同的命名系统：PCx-zzzz，其中x是技术代号，zzzz是最大理论传输速率（又称最大带宽）。

下图中，可以看到一个PC3-10666内存模块，它使用的是DDR3-1333内存芯片。注意时序（7-7-7-18）和电压（1.5V）。

存储器模块的最大传输速率可以通过以下公式计算。

最大理论传输率 = 时钟 x 位数 / 8

由于DIMM模块一次传输64位，所以 “位数 “将是64位。由于64 / 8 = 8，我们可以将这个公式简化为。

最大理论传输率 = 时钟 x 8 …

如果将内存模块安装在内存总线以较低的时钟速率运行的系统上，内存模块实现的最大传输速率将低于其理论上的最大传输速率。实际上，这是一个非常常见的误判。

比如说，你买了一对DDR3-2133/PC3-17000内存。尽管它们被标注为DDR3-2133，但它们不会在你的系统上以2133MHz的速度自动运行。这是它们支持的最大时钟速率，而不是它们运行的时钟速率。如果你将它安装在支持DDR3内存的普通PC系统上，它们可能会以1,333 MHz(DDR3-1333)的速度运行–这是DDR3的最高标准速度–实现10,664 MB/s的最大传输速率。所以，它们不会自动运行在2,133 MHz，也不会自动达到17,000 MB/传输速率。

那么，为什么有人会买这些模块？有人会买他们的超频。由于制造商保证这些模块将运行到2,133兆赫，你知道你可以提高内存总线时钟到1,066兆赫，以实现更高的性能与您的系统，但是，你的主板必须支持这种超频。因此，如果您不打算对系统进行超频，那么购买标示时钟频率高于系统支持的内存模块是没有用的。

对于普通用户来说，这就是你需要知道的关于DDR、DDR2和DDR3内存的一切。对于高级用户来说，还有另一个特点：内存的时序或延迟。

内存时序参数含义

由于时序的原因，两个理论上最大传输速率相同的内存模块可以达到不同的性能水平。为什么在两者以相同的时钟速率运行的情况下会出现这种情况？

时序衡量的是内存芯片在内部做某事的延迟时间。下面是一个例子。考虑到最著名的参数，它被称为CAS Latency（或CL或 “访问时间”，“列选通延迟”），它告诉我们内存模块在返回CPU请求的数据时将延迟多少个时钟周期。一个CL为9的内存模块将延迟9个时钟周期来提供请求的数据，而一个CL为7的内存模块将延迟7个时钟周期来提供数据。虽然这两个模块可能以相同的时钟速率运行，但第二个模块的速度会更快，因为它将比第一个模块更快地交付数据.这个问题被称为 “延迟”。正如你在下图中看到的，那里的模块的CL为7。

内存时序是通过一系列数字给出的，例如，4-4-4-8,5-5-5-15,7-7-7-21或9-9-9-24。这些数字表示内存执行某项操作所需的时钟周期数。数字越小，内存的速度越快。上图描绘的内存模块的时序为7-7-7-18，下图中描绘的内存模块的时序为8-8-8-24。

这些数字所表示的操作如下。CL -tRCD -tRP -tRAS -CMD。要理解它们，请记住，存储器的内部组织是一个矩阵，数据存储在行和列的交点处。

CAS延迟(CL)

CAS Latency(CL)是最著名的内存参数，它告诉我们内存将延迟多少个时钟周期来传送所请求的数据，一个CL=7的内存将延迟7个时钟周期来传送数据，而CL=9的内存将延迟9个时钟周期来执行同样的操作。因此，对于以相同时钟速率运行的两个内存模块来说，CL值最低的那个模块会更快。

请注意，这里的时钟速率是内存模块运行时的实际时钟速率，即额定时钟速率的一半。由于DDR、DDR2和DDR3内存在每个时钟周期内可以提供两个数据，因此它们的额定时钟速率是实际时钟速率的两倍。

下图中，可以看到CL的工作原理。我们举了两个例子，一个是CL=7的内存模块，一个是CL=9的内存模块。蓝色的命令将是一个 “读 “的命令。

考虑到两者在相同的时钟速率下运行，CL=7的内存将比CL=9的内存延迟提高22.2%。

你甚至可以计算出内存延迟到开始传输数据的时间，每个时钟周期的周期可以通过公式轻松计算出来。

T = 1 / f

因此，DDR3-1333内存在1333 MHz（666.66 MHz时钟）下运行的每个时钟周期的周期为1.5 ns（ns=纳秒；1 ns=0.000000001 s）。所以，这个DDR3-1333内存如果CL=7的话，会延迟10.5 ns开始传输数据，如果CL=9的话，则延迟13.5 ns。

RAS到CAS延迟(tRCD)

每个存储芯片内部都是以矩阵的形式组织的。在每一行和每一列的交叉点，我们有一个小电容，负责存储 “0 “或 “1”–数据。在存储器内部，访问存储数据的过程是通过先激活行，再激活列来完成的。这种激活是通过两个控制信号来完成的，这两个信号被称为RAS(Row AddressStrobe)和CAS(Column Address Strobe)。这两个信号之间的时间间隔越短越好，因为数据会被更快地读取。RAS到CAS延迟或tRCD测量这个时间。如下图，我们说明了这一点，显示了一个内存，RCD=3。

正如您所看到的，RAS到CAS延迟也是 “活动 “命令和 “读 “或 “写 “命令之间的时钟周期数。

与CAS Latency一样，RAS到CAS Delay的工作原理是内存实际时钟（是标记时钟的一半）。该参数越低，内存速度越快，因为它将更早地开始读取或写入数据。

RAS预充电(tRP)

从内存中取出数据后，需要发出一条名为Precharge的命令，关闭正在使用的内存行，允许新的行被激活。RAS预充电时间(tRP)是指从Precharge命令到下一个Active命令可以发出的时间。正如之前所了解到的，Active命令启动了一个读或写周期。

上图中，我们以tRP=3的存储器为例。

与其他参数一样，RAS预充电与内存实际时钟（是标注时钟的一半）一起工作。这个参数越低，内存的速度就越快，因为它会更早地发出Active命令。

加上我们所看到的一切，从发出Precharge命令到实际得到数据之间的时间将是tRP + tRCD + CL。

其他参数

我们再来看看另外两个参数，Active to Precharge Delay（tRAS）和Command Rate（CMD）。与其他参数一样，这两个参数与内存实际时钟（即内存标示时钟的一半）有关。这些参数越低，内存的速度就越快。

Active到预充电延迟（tRAS）。发出一条Active命令后，在tRAS过后才能发出另一条Precharge命令。所以，这个参数限制了内存何时可以开始读取（或写入）不同的行。

命令速率（CMD）。它是指内存芯片从被激活（通过CS-芯片选择-引脚）到可以向内存发出任何命令所需的时间。该参数带有字母 “T”。可能的值是1T或2T，分别表示一个时钟周期或两个时钟周期。

为了更好地理解，下图为时序参数为3-3-3-10（假设）的存储器的时序图。

在文章的最后，我们可以将时序参数总结如下。

CAS延迟(CL)是指在正确的行已经打开的情况下，从DRAM中读取第一个内存位所需的时间。

在没有任何活动行的情况下，从DDR中读取第一个内存位的时间为tRCD+CL。

从一个没有活动行的DRAM中读取第一个内存位的时间是tRP + tRCD + CL。

从发出 “活动 “命令到发出 “预充电 “命令所需的时钟周期数为tRAS。

这些信息都可以从上图中得到。