DDR基础知识总结

最近有些项目中有涉及到DDR应用，虽然比较简单，都是单颗粒形式，不像复杂的多颗粒形式，但还是打算总结一下，本篇就先介绍基础知识。

1.DDRx简介

DDR是DDR SDRAM的简称，只是人们习惯了称之为DDR，全称为Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory，中文名为：双倍速率同步动态随机存储器，同步是指需要时钟。

DDRx发展很快，虽然DDR5的正式规范尚未公布，但是前段时间发布的小米10全系列手机已经搭载了镁光的LPDDR5。本人在实际工作中用的最多的内存颗粒还是DDR3和LPDDR3，闪存颗粒则是NAND和EMMC，其他的DDR也只是作为了解居多。DDRx颗粒的常见部分参数如表1所示。

表1

1.1 SSTL电平

LVTTL电平为单端信号，而SSTL电平本质上是差分对，其实现机制是将信号与参考电平Vref组成差分对进行比较，如图1所示，VIH和VIL各有一个交流参数AC和直流参数DC，信号第一次越过AC门限的时刻，作为时序计算的参考点，此后只要信号保持DC门限内，逻辑状态保持不变，这种设计减小了噪声、振铃等对于信号质量的影响。在SSTL_18中，规定了端接电阻上拉到VTT电源，如图2所示。在典型应用中，VREF和VTT等于VDDQ/2，因此接收端的电压同时取决于驱动器、端接电阻RT和端接电压VTT，驱动器的输出电阻Ron一般不会大于21R。这个端接电阻最主要的作用是提高信号完整性，特别是在一驱多的Fly-by拓扑中，此外还能增强驱动能力，当DDR颗粒较少时（1颗或2颗时，可咨询DDR原厂确定），VTT可以不用。另外，当驱动端电平分别为高或低时，电流流向相反，因此VTT电源需要具有提供电流和吸收电流的能力，不能使用普通的电源。

图1

图2

1.2 HSUL电平

HSUL-12电平主要用于点到点的无端接总线拓扑结构，不需要外部串行或者并行匹配电阻，降低了端接功耗，LPDDR3使用的就是该种电平。

1.3 POD电平

POD是伪漏极开路电平，其内部端接上拉到VDDQ，而SSTL内部是上拉到VDDQ/2，分别如图3和图4所示。因此，当驱动端输出高电平时，由于驱动端和接收端端接电压均为VDDQ，因此没有电流流动，降低了功耗；驱动端输出低电平时，POD由于上拉电压高，功耗稍大于SSTL。正因此，DDR4多了一个DBI功能，即数据总线翻转，当一个字节里0的位数大于1的位数时，可以将0和1反转，以降低功耗。

由于POD的参考电平Vref大小会随着驱动强度、负载、传输线特性等不同而改变，因此DDR4数据信号的参考电平VrefDQ是由芯片内部自己产生的，没有外接该电平的管脚，只有地址信号的参考电平管脚VrefCA。POD的VrefDQ通过控制寄存器设置值由芯片自行优化调整，称为VrefDQ Training。

图3

图4

另外需要提及的一点是，LPDDR3的内部端接ODT也是上拉到VDDQ。

1.4 Writing Leveling

为了更好的信号完整性，DDR3内存模块对命令、地址、控制和时钟信号线采用了fly-by拓扑结构（一种特殊的菊花链），如图5所示。该拓扑结构能够减小stub的数量和长度，但同时也会引起各内存颗粒CLK和DQS信号之间的飞行时间偏差，因此，DDR3颗粒引入了Writing Leveling功能，如果DDR控制器同时也支持该功能的话（并非所有控制器都支持该功能），就可以补偿CLK和DQS之间的飞行时间偏差。Write Leveling的本质目的是使DQS信号的上升沿在到达DDR颗粒时能够和CLK时钟信号对齐。DDR控制器通过不断地调整DQS的发送延时，DDR颗粒则在DQS信号的上升沿采样CLK时钟信号，并通过DQ数据信号将CLK时钟状态反馈回给DDR控制器，直到DQ信号从0变成1，此时就使CLK和DQS对齐了，确定DQS延时值，完成调整过程，如图6所示。

图5

图6

上述调整过程的文字描述可能不是很直观，下面通过一个简单的例子来说明，如图7所示，颗粒1的CLK飞行时间为1ns，颗粒2的CLK飞行时间为2ns，颗粒1和颗粒2的DQS飞行时间均为1ns。如果不进行Write Leveling调整，颗粒2的CLK信号和DQS信号的飞行时间偏差为1ns，没有对齐。经过调整后，控制器在发送颗粒1的DQS后，延时1ns再发送颗粒2的DQS，则颗粒1在1ns后收到对齐的DQS和CLK，颗粒2在2ns后收到对齐的DQS和CLK，从而满足了时序关系。

图7

2.DDRx引脚说明

2.1 引脚功能

DDRx是典型的源同步时钟（另一种时钟系统是共同时钟），其信号引脚主要有差分时钟CK/CK#、时钟使能CKE、片选CS#、行地址选通RAS#、列地址选通CAS#、写使能WE#、BANK地址选通BA0BAn、地址A0An、数据DQ0~DQn、数据选通DQS/DQS#、数据掩码DM。不同一代的DDR/DDR2/DDR3的引脚有所不同，以下几幅图分别是DDR3，LPDDR3和DDR4的引脚说明。

图8 DDR3引脚说明

图8续 DDR3引脚说明

图9 LPDDR3引脚说明

图10 DDR4引脚说明

图10续 DDR4引脚说明

除了上述引脚，DDR3引入了新的引脚，RESET#复位引脚在正常运行时必须是高电平。ZQ引脚必须接一个 240 欧姆的1%高精度电阻到GND，该电阻的作用是校准内部ODT电阻值和DDR导通电阻值Ron，因为内部的电阻会随着温度而发生变化，需要校准才能保证准确的终端匹配。

DDR3的参考电压也分为2个，分别是数据信号的VREFDQ和地址控制信号的VREFCA。

2.2 TDQS功能

另外，在DDR3的规格书里能看到TDQS/TDQS#功能，这个功能比较冷门，工作当中也没有用过，在JEDEC里描述也是一笔带过，让人迷糊。后来在镁光文档上（TN-41-06：Micron-Technical Note DDR3 Termination Data Strobe）看到解释就明白了，在此也分享一下，对电路设计来说有个了解就行，不用过于深究。该功能仅在数据位宽x8的内存颗粒上使用，主要用于简化x4位宽与x8位宽内存混合使用的存储器控制系统的设计，如图11所示，x8的内存条中每8bits需要一对DQS，而x4的内存条中每4bits需要一对DQS，即8bits的x4内存条需要两对DQS，而x8内存条只需要一对DQS，这就会造成DQS信号的负载不均衡，从而引起信号完整性（SI）问题。因此，x4内存条的其中一对DQS信号连接到x8内存条的TDQS上进行端接，并开启x8内存条的TDQS功能，从而保证负载均衡，不产生SI问题。

图11