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DDR2 SDRAM介绍及其基于MPC8548 CPU的硬件设计

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       DR2(Double Data Rate 2，两倍数据速率，版本2) SDRAM，是由JEDEC标准组织开发的基于DDR SDRAM的升级存储技术。相对于DDR SDRAM，虽然其仍然保持了一个时钟周期完成两次数据传输的特性，但DDR2 SDRAM在数据传输率、延时、功耗等方面都有了显著提高，而这些性能的提高，主要来源于以下技术的提升：ODT，Post CAS，4n数据预取，封装等。
　　
* ODT
　　
         ODT(On-Die Termination)，即芯片内部匹配终结。
　　
        在DDR SDRAM应用中，需要通过大量的外部电阻上拉到VTT电平(1.25V)以实现信号匹配，以16位芯片为例，以下信号需要通过这种方式进行匹配：
CK,CK#,DQ[15:0],LDQS,UDQS, ADDR[10:0],RAS#,CAS#,WE#，即一片芯片需要34个外部上拉电阻，极大的占用了宝贵的PCB面积。同时，由于DQ[15:0],LDQS,UDQS等信号是双向信号，即读和写时，对匹配电阻的位置有不同要求，因此在电阻布局时很难在两个方向上同时实现最佳的信号完整性。
　　
         在DDR2 SDRAM中，采用ODT技术将许多外部的匹配电阻移到芯片内部从而节省了大量的PCB板上面积。另外，ODT技术允许存储控制器(如下文的MPC8548 CPU)通过配置DDR2 SDRAM的内部寄存器以及控制ODT信号，来实现对匹配电阻的值及其开关状态进行控制，从而可以实现读，写操作时最佳的信号完整性。

图1 ODT功能图

　    DDR2 SDRAM芯片提供一个ODT引脚来控制开或关芯片内部的终结电阻。在只有一个DDR2 SDRAM芯片作为存储器控制器的负载的情况下，写操作时，由于DDR2 SDRAM作为接收端，所以ODT引脚为高电平以打开芯片内部终结电阻;读操作时，由于DDR2 SDRAM作为发送端，所以ODT引脚为低电平以关闭芯片内部终结电阻。其中，ODT引脚的状态由存储器控制器(如MPC8548)来控制。
　　
        ODT终端电阻值RTT可以通过DDR2 SDRAM内部的EMR寄存器来设定：首先配置EMR[15:14]=01来选定该寄存器工作于EMR(扩展模式寄存器)模式，然后通过EMR[6]和EMR[2]两位来设置内部RTT的值，允许选择为RTT关闭，75欧姆，150欧姆，50欧姆这四种模式。以选择75欧姆这种模式为例，图1中，DQ引脚内部的上拉电阻和下拉电阻将配置为150欧姆。
　　
        需要注意，DDR2 SDRAM的ODT技术，只是对DQ,DQS,DM这些信号(在选择了差分DQS的情况下，也包括DQS#信号)实现了内部匹配。而地址和控制信号等仍需要通过外部匹配。
　　
* Posted CAS
　　
         以读DDR2 SDRAM为例。

图2 多块数据读取时的间隙问题

　    DDR2 SDRAM和DDR SDRAM一样，是通过Bank(块地址),Row(行地址)和Column(列地址)三者结合实现寻址。每一次对DDR2 SDRAM的操作，都以ACTIVE命令(图2的ACT命令，通过有效#RAS信号实现)开始，在发出该命令的同时，通过地址信号线发出本次操作的Bank和Row地址，此后等待tRCD时间后，发起READ/AUTO PRECHARGE命令(图2 的RD AP命令，通过有效#CAS信号实现)，该命令的作用是发出读取命令，同时通过地址信号线发出本次操作的Column地址。最后，等待CAS Latency时间之后，数据即通过数据总线输出。
　　
        由于DDR2 SDRAM的存储空间相对DDR SDRAM有所增加，因此Bank数目也有所增加。例如，DDR SDRAM单片最大容量为1Gbit，Bank数目是4，而DDR2 SDRAM单片最大容量为2Gbit，Bank数目达到了8。DDR SDRAM的Bank数目最少是2，而DDR2 SDRAM的Bank数目最少是4。为了提高性能，经常需要在一个Bank的操作完成之前插入对下一个Bank的操作。如图2，在发出对Bank0的ACT命令之后，无需等待对应的RD AP命令发出，只用满足tRRD时间要求，即可发出对另一个Bank的ACT命令。
　　
        按照这种工作模式，从图2中可以发现，对Bank2的ACT命令实际上延迟了一个时钟周期，该命令本来应该在RD AP(Bank 0)的位置出现，但由于RD AP(Bank 0)命令已经出现在该时钟周期(占用了地址总线，以发出Column地址)，从硬件信号上来说，即在这个周期已经使能了CAS#信号，所以无法使能对应另一个Bank的RAS#信号，因此只能延时一个时钟周期。其结果是，本来应该是流水线式的数据输出流被打断，Bank1的数据输出后，需要等待一个时钟周期，Bank2的数据才得到输出。数据流间隙的出现，将影响芯片的性能。
　　
        针对这个问题，DDR2 SDRAM做了改进。DDR2 SDRAM允许RD AP命令提前发出，甚至可以紧跟ACT命令发出，但是要等待一个Additive Latency(即AL，附加延时)后，该RD AP命令才能执行。如图3所示。

图3 引入附加延迟AL的DDR2 SDRAM读取模式【1】

　　在图3中，AL设置为tRCD-1，此时，可以实现ACT和RD AP命令背靠背的发出，只不过，DDR2 SDRAM需要抑制RD AP命令，直到AL延时满足后才能执行。

图4 引入AL后的多Bank数据读取　　

        如图4，引入AL并设置AL为tRCD-1后，对于多个Bank数据读取，输出数据流之间不再出现间隙。
　　
        这种为了避免ACT命令和RD AP命令冲突而提出的技术就叫做Posted CAS技术。其本质就是将CAS#信号的使能时间段(即RD AP命令)直接插入到紧跟RAS#信号的使能时间段(即ACT命令)之后，虽然读和写操作并没有得到提前，总的延迟时间也没有发生改变，但引入这种技术后，可以避免在多Bank操作中的一个Bank的CAS#信号和其他Bank的RAS#信号发生冲突，从而提高了存储芯片的使用效率。
　　
        可以通过配置DDR2 SDRAM芯片内部的EMR寄存器的第3～5位，将附加延时AL配置为0~5个时钟周期。

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