《存储器电路》PPT课件

4.1 OMAP4460存 储 空 间 4.2 RAM存 储 器4.3 ROM存 储 器4.4 存 储 卡 接 口 电 路 设 计 芯 片 上 的 内 存 被 划 分 为 L3 OCM RAM、 ROM区 、RAM区 和 存 储 器 内 子 系 统 （ Cortex-A9、 Cortex-M3、ABE和 IVA-HD） 。L3 OCM RAM， 56KB片 上 SRAM；4KB保 存 和 恢 复 （ SAR） ROM；RAM区 由 四 大 块 8KB组 成 ， 器 件 进 入 关 闭 模 式 时 ， 它可 以 用 来 作 为 系 统 环 境 变 量 保 存 存 储 器 。 SDMA控 制 器 ： 高 达 127请 求 ， 32 优 先 级 逻 辑 信 道 ，256 64位 FIFO；动 态 内 存 管 理 （ DMM） 模 块 ： 它 执 行 全 局 地 址 翻 译 ，地 址 旋 转 ， 以 及 交 错 访 问 。 有 两 个 主 要 的 接 口 ， 用 于 连 接 外 部 存 储 器 ： 通 用 存 储 器 控制 器 （ GPMC） 和 双 通 道 SDRAM控 制 器 （ SDRC） ， 图 形 加 速器 （ SGX） 。 GPMC支 持 如 下 存 储 器 ： 异 步 SRAM存 储 器 ； 异 步 /同 步 NOR Flash存 储 器 ； NAND Flash存 储 器 ； 伪 SRAM器 件 ； SDRC/EMIF； 支 持 设 备 之 间 的 连 接 ；LPDDR2型 存 储 器 ,它 支 持 双 倍 数 据 速 率 （ DDR） 和 单数 据 速 率 （ SDR） 的 协 议 ,EMIF是 Cortex-A9微 处 理 器的 LPDDR2 SDRAM/NVM子 系 统 、 ISS、 IVA-HD子 系统 、 图 形 加 速 器 （ SGX） 和 DMA控 制 器 之 间 的 接 口 ；DDR物 理 接 口 PHY， 实 现 符 合 JEDEC LPDDR2要 求 的数 据 速 率 转 换 。 OMAP设 备 支 持 的 外 围 设 备 提 供 了 一 套 全 面 、 灵活 和 高 速 （ HS） 接 口 ， 以 及 片 上 编 程 资 源 。 在 Cortex-A9微 处 理 器 单 元 （ MPU） 有 一 个 32位的 地 址 端 口 ， 根 据 不 同 的 目 标 类 型 ， 可 以 把 4 GB的 空间 分 割 成 几 个 区 域 进 行 处 理 。 存 储 器 映 射 包 括 了 以 下 的 功 能 （ 以 及 功 能 共 享 ，例 如 Cortex-A9的 MPU子 系 统 或 图 像 和 视 频 加 速 器IVA-HD子 系 统 ） 。 内 存 空 间 ： 通 用 内 存 控 制 器 （ GPMC）动 态 内 存 管 理 器 （ DMM）寄 存 器 空 间 ： 3级 （ L3） 和 4级 （ L4） 互 连专 用 空 间 ： IVA-HD子 系 统 的 图 形 加 速 器 （ SGX） 等 。 GPMC和 DMM专 用 于 存 储 器 的 连 接 。 GPMC用 于 NOR/NAND闪 存 和 静 态RAM（ SRAM） 的 存 储 器 。 DMM用 于 同 步 动 态 随 机 存 取 存 储 器 （ SDRAM） 的 存 储 ， 如 单 数 据 速 率 SDR SDRAM或 移 动 双 倍 数 据 速 率 DDR SDRAM。 L3互 连 允 许 共 享 资 源 ， 如 外 围 设 备 和 外 部 的 片 上 存 储 器 。 L4互 连 外 围 设 备 的 访 问 控 制 。 OMAP4460的 存 储 空 间 系 统 是 分 层 次 的 ： 1级 （ L1） 、 2级（ L2） 、 L3和 L4。 Cortex-A9微 处 理 器 的 L1和 L2， 包 括 Cortex-M3微 控 制 器 、 数 字 信 号 处 理 器 （ DSP） 子 系 统 的 存 储 器 。 L3处理 许 多 类 型 的 数 据 传 输 、 数 据 交 换 与 系 统 内 部 /外 部 （ on-chip/external） 存 储 器 。 L3和 L4实 现 芯 片 级 互 连 。 包 括 一 个 L3和 4个 L4S， 实 现 所 有模 块 和 子 系 统 之 间 的 通 信 。 1960年 ， IBM大 型 主 机 主 要 采 用 磁 芯 存 储 器 。 磁 芯 存 储 器 不 但 容 易 损坏 ， 而 且 价 格 昂 贵 、 速 度 慢 ， 为 解 决 磁 芯 存 储 器 存 在 的 不 足 ， 当 时 科 学 家 提供 了 诸 多 设 计 方 案 。 但 这 些 方 案 与 磁 芯 存 储 器 相 比 ， 不 但 技 术 原 理 更 加 复 杂， 而 且 造 价 也 更 昂 贵 。 罗 伯 特 登 纳 德 博 士 在 一 个 座 谈 中 了 解 到 ， 薄 膜 磁 存 储技 术 采 用 了 一 块 小 磁 体 和 邻 近 的 一 对 信 号 线 能 实 现 1个 比 特 （ 二 进 制 位 ） 的 存储 。 几 个 月 后 登 纳 德 博 士 提 出 了 一 个 设 想 ， 即 二 进 制 位 可 以 存 储 在 电 容 上 ，一 个 场 效 应 管 （ FET） 可 以 用 于 控 制 充 放 电 。 在 经 过 长 时 间 的 研 究 后 ， 登 纳德 博 士 最 终 发 明 了 可 存 储 少 许 数 据 、 基 于 单 晶 体 管 设 计 的 存 储 单 元 ： D-RAM芯 片 。 随 着 个 人 电 脑 （ PC） 的 兴 起 ， 罗 伯 特 登 纳 德 的 这 项 发 明 的 意 义 逐 渐 显现 出 来 。 写 入 的 时 候 在 需 要 写 入 的 磁 芯 所 对 应 的 XY坐 标 线上 各 输 入 稍 高 于 50%磁 环 磁 化 阈 值 的 电 流 ， 所 以 这 样 只有 XY坐 标 对 应 的 那 个 磁 芯 上 会 同 时 在 两 条 线 中 都 有 电流 ， 叠 加 之 后 会 超 过 阈 值 的 电 流 ， 磁 芯 因 而 磁 化 或 者改 变 磁 化 方 向 从 而 写 入 一 位 数 据 ， 而 其 他 所 有 的 磁 芯内 通 过 的 电 流 或 者 是 0， 或 者 是 50%磁 化 阈 值 ， 都 达 不到 磁 化 电 流 不 能 被 磁 化 ， 所 以 没 有 数 据 写 入 。 读 出 的 时 候 比 较 复 杂 ， 分 别 在 XY送 入 读 出 电 流 ， 读 出 电 流 的 大 小 和 写 入 的 时 候一 样 也 是 略 大 于 50%磁 化 阈 值 的 电 流 ， 读 出 电 流 的 方 向 我 们 是 事 先 知 道 的 ， 这 样 在XY寻 址 坐 标 所 对 应 的 那 个 磁 芯 里 就 会 有 超 过 阈 值 的 电 流 ， 如 果 它 的 本 来 磁 场 方 向 和读 出 电 流 所 对 应 的 磁 场 方 向 相 反 的 话 ， 那 么 由 于 磁 芯 的 磁 性 状 态 发 生 翻 转 ， 有 巨 大 的磁 通 量 变 化 ， 在 斜 穿 的 读 出 线 上 就 会 有 大 的 感 应 电 流 ， 所 以 我 们 就 知 道 这 个 磁 芯 存 储的 是 和 读 出 信 号 相 反 的 数 据 。 如 果 它 的 本 来 磁 场 方 向 和 读 出 电 流 所 对 应 的 磁 场 方 向 一样 的 话 ， 那 么 由 于 磁 芯 的 磁 性 状 态 没 有 发 生 变 化 ， 在 斜 穿 的 读 出 线 上 就 不 会 有 感 应 电流 ， 所 以 我 们 就 知 道 这 个 磁 芯 存 储 的 是 和 读 出 信 号 相 同 的 数 据 。 磁 芯 中 的 数 据 就 这 样被 读 出 了 ， 不 过 这 还 没 有 完 ， 因 为 值 得 注 意 的 是 这 时 候 在 读 完 数 据 之 后 显 然 无 论 原 来磁 芯 上 存 的 是 什 么 数 据 ， 读 过 之 后 就 都 被 写 成 同 样 的 读 出 数 据 了 ， 也 就 是 这 个 读 出 是 破 坏 性 的 ， 所 以 必 须 有 个 办 法 在 读 出 之 后 恢 复 存 储 的 数 据 。 所 以 读 完 之 后 还 需 要 立 即另 外 重 新 再 写 一 遍 原 先 的 数 据 进 去 ， 恢 复 本 来 的 数 据 ， 方 法 就 是 前 述 的 写 入 数 据 的 方法 ， 用 放 在 缓 存 中 的 磁 环 中 原 来 存 储 的 数 据 写 回 去 。 所 以 磁 芯 存 储 器 的 读 相 当 麻 烦 ，也 比 较 慢 。 读 出 时 没 被 选 中 的 磁 芯 和 写 入 时 一 样 ， 都 不 会 改 变 磁 性 状 态 而 产 生 感 应 电流 ， 所 以 不 会 被 读 出 也 不 会 干 扰 被 选 中 的 磁 芯 读 出 数 据 。 SRAM（ Static RAM） 是 一 种 具 有 静 止 存 取 功 能 的 存 储 器， 不 需 要 刷 新 电 路 即 能 保 存 它 内 部 存 储 的 数 据 。 不 像 DRAM内存 那 样 需 要 刷 新 电 路 ， 每 隔 一 段 时 间 ， 固 定 要 对 DRAM刷 新 充电 一 次 ， 否 则 内 部 的 数 据 即 会 消 失 。 因 此 SRAM具 有 较 高 的 性能 ， 但 是 SRAM的 集 成 度 较 低 ， 设 计 相 同 容 量 的 内 存 ， SRAM需 要 比 DRAM更 大 的 体 积 。 RAM最 显 著 的 优 点 就 是 速 度 非 常 快 ， 在 快 速 读 取 和 刷 新 时能 够 保 持 数 据 完 整 性 ， 因 而 被 广 泛 应 用 在 各 个 领 域 。 DRAM（ Dynamic RAM） 即 动 态 RAM， 是 RAM家 族 中 最大 的 成 员 。 通 常 所 讲 的 RAM即 指 DRAM。 RAM的 动 态 存 储 单 元 是 利 用 MOS管 栅 极 电 容 可 以 存 储 电 荷的 原 理 制 成 的 。 存 储 单 元 的 结 构 能 做 得 非 常 简 单 ， 普 遍 应 用 于 大容 量 、 高 集 成 度 的 RAM中 。 由 于 栅 极 电 容 的 容 量 很 小 （ 通 常 仅为 几 皮 法 ） ， 而 漏 电 流 又 不 可 能 绝 对 等 于 零 ， 所 以 电 荷 保 存 的 时间 有 限 。 为 了 及 时 补 充 漏 掉 的 电 荷 以 避 免 存 储 的 信 号 丢 失 ， 必 须定 时 给 栅 极 电 容 补 充 电 荷 ， 通 常 将 这 种 操 作 称 为 刷 新 或 再 生 。 因此 ， DRAM工 作 时 必 须 辅 以 必 要 的 刷 新 控 制 电 路 ， 同 时 也 使 操 作复 杂 化 了 。 在 进 行 写 操 作 时 ， 字 线 给 出 高 电 平 ， 使 T导 通 ， 位 线 上 的 数据 便 通 过 T被 存 入 CS中 。 在 进 行 读 操 作 时 ， 字 线 同 样 给 出 高 电平 ， 使 T导 通 ， CS经 T向 位 线 上 的 电 容 CB提 供 电 荷 ， 使 位 线 获得 读 出 的 信 号 电 平 。 SDRAM（ Synchronous Dynamic Random Access Memory） 即 同 步 动 态 随 机 存 取 存 储 器 。 同 步 是 指 Memory工 作需 要 同 步 时 钟 ， 内 部 命 令 的 发 送 与 数 据 的 传 输 都 以 它 为 基 准 ；与 系 统 总 线 速 度 同 步 ， 也 就 是 与 系 统 时 钟 同 步 ， 这 样 就 避 免 了不 必 要 的 等 待 周 期 ， 减 少 数 据 存 储 时 间 。 同 步 还 使 存 储 控 制 器知 道 在 哪 一 个 时 钟 脉 冲 期 由 数 据 请 求 使 用 ， 因 此 数 据 可 在 脉 冲上 升 期 便 开 始 传 输 。 动 态 是 指 存 储 阵 列 需 要 不 断 的 刷 新 来 保 证数 据 不 丢 失 。 随 机 是 指 数 据 不 是 线 性 依 次 存 储 ， 而 是 由 指 定 地址 进 行 数 据 读 写 。 SDRAM是 有 一 个 同 步 接 口 的 动 态 随 机 存 取 内 存 DRAM。 通 常 动 态 随机 存 取 内 存 （ DRAM） 是 有 一 个 异 步 接 口 的 ， 这 样 它 可 以 随 时 响 应 控 制 输 入的 变 化 。 而 SDRAM有 一 个 同 步 接 口 ， 在 响 应 控 制 输 入 前 会 等 待 一 个 时 钟 信号 ， 这 样 就 能 和 计 算 机 的 系 统 总 线 同 步 。 时 钟 被 用 来 驱 动 一 个 有 限 状 态 机 ，对 进 入 的 指 令 进 行 流 水 线 操 作 。 这 使 得 SDRAM与 没 有 同 步 接 口 的 异 步DRAM(asynchronous DRAM)相 比 ， 可 以 有 一 个 更 复 杂 的 操 作 模 式 。 流 水 线 意 味 着 芯 片 可 以 在 处 理 完 之 前 的 指 令 前 ， 接 受 一 个 新 的 指 令 。在 一 个 写 的 流 水 线 中 ， 写 命 令 在 另 一 个 指 令 执 行 完 之 后 可 以 立 刻 执 行 ， 而 不需 要 等 待 数 据 写 入 存 储 队 列 的 时 间 。 在 一 个 读 的 流 水 线 中 ， 需 要 的 数 据 在 读指 令 发 出 之 后 固 定 数 量 的 时 钟 频 率 后 到 达 ， 而 这 个 等 待 的 过 程 可 以 发 出 其 它 附 加 指 令 。 这 种 延 迟 被 称 为 等 待 时 间 ， 在 为 计 算 机 购 买 存 储 时 是 一 个 很 重 要的 参 数 。 从 发 展 到 现 在 已 经 经 历 了 五 代 ， 分 别 是 ： 第 一 代SDR SDRAM， 第 二 代 DDR SDRAM， 第 三 代 DDR2 SDRAM， 第 四 代 DDR3 SDRAM， 第 五 代 DDR4 SDRAM。 （ 1） 控 制 信 号 ： 包 括 片 选 （ CS） 、 同 步 时 钟 （ CLK） 、 时 钟有 效 （ CLKEN） 、 读 写 选 择 （ WE） 、 数 据 有 效 （ DQM） 等 。 （ 2） 地 址 选 择 信 号 ： 包 括 行 地 址 选 择 （ RAS） 、 列 地 址 选 择 （CAS） 、 行 /列 地 址 线 （ SA0 SA12） 分 时 复 用 、 Bank块 地 址 线（ BA0 BA1） 。 （ 3） 数 据 信 号 ： 包 括 双 向 数 据 端 口 （ DQ0 DQ15） 、 接 收 数据 有 效 信 号 （ DQM） 控 制 等 。 DQM为 低 时 ， 写 入 /读 出 有 效 。 128Mb（ 32M 4bit） SDRAM内 部 结 构 图 突 发 （ Burst） 是 指 在 同 一 行 中 相 邻 的 存 储 单 元 连 续 进 行数 据 传 输 的 方 式 ， 连 续 传 输 所 涉 及 到 存 储 单 元 （ 列 ） 的 数 量 就是 突 发 长 度 （ Burst Lengths， BL） 。 内 存 控 制 器 读 /写 P-Bank 位 宽 是 8位 （ 即 8 个 字 节 ） ， 但是 实 际 的 数 据 大 多 都 是 超 过 8位 的 ， 每 次 只 能 对 一 个 存 储 单 元 进行 寻 址 ， 如 果 要 连 续 的 读 /写 就 还 要 对 当 前 存 储 单 元 的 下 一 个 单元 进 行 寻 址 ， 就 要 不 断 地 发 送 列 地 址 与 读 /写 命 令 （ 行 地 址 不 变， 所 以 不 用 再 对 行 寻 址 ） ， 这 样 就 占 用 了 大 量 的 内 存 控 制 资 源， 在 数 据 进 行 连 续 传 输 时 无 法 输 入 新 的 命 令 。 传 输 效 率 很 低 。 为 此 ， 突 发 传 输 技 术 应 运 而 生 ， 指 定 起 始 列 地 址 与 突 发 长 度 ， 内 存 控 制器 依 次 地 自 动 对 后 面 相 应 数 据 的 存 储 单 元 进 行 读 /写 操 作 而 不 再 需 要 控 制 器 连续 地 提 供 列 地 址 。 这 样 ， 除 了 第 一 笔 数 据 的 传 输 需 要 若 干 个 周 期 （ 主 要 是 之前 的 延 迟 ， 一 般 是 tRCD+CL） 外 ， 其 后 每 个 数 据 只 需 一 个 周 期 即 可 获 得 。 至 于 BL的 数 值 ， 不 能 随 便 设 定 或 者 传 输 前 临 时决 定 。 目 前 可 用 的 选 项 是 1、 2、 4、 8、 全 页 （ Full Page） ， 常 见 的 设 定 是 4 和 8。 另 外 ， 在 MRS（ Mode Register Set） 阶 段 除 了 要 设 定 BL数 值 之 外 ， 还 要 确 定读 /写 操 作 的 模 式 以 及 突 发 传 输 的 模 式 。 如 果 BL=4， 意 味 着 传 送 4 64bit 的 数 据 。 但 是 ， 并 不 是所 有 的 数 据 都 是 需 要 的 ， 为 了 屏 蔽 不 需 要 的 数 据 ， 数 据 掩 码 （Data I/O Mask， DQM） 技 术 应 运 而 生 。 通 过 DQM， 内 存 可 以控 制 I/O 端 口 取 消 哪 些 输 出 或 输 入 的 数 据 。 在 读 取 时 ， 被 屏 蔽 的数 据 仍 然 会 从 存 储 体 传 出 ， 只 是 在 “ 掩 码 逻 辑 单 元 ” 处 被 屏 蔽。 为 了 精 确 屏 蔽 一 个 P-Bank 位 宽 中 的 每 个 字 节 ， 每 个 DIMM有8个 DQM信 号 线 ， 每 个 信 号 针 对 一 个 字 节 。 这 样 ， 对 于 4bit 位宽 芯 片 ， 两 个 芯 片 共 用 一 个 DQM 信 号 线 ， 对 于 8bit 位 宽 芯 片 ，一 个 芯 片 占 用 一 个 DQM 信 号 ， 而 对 于 16bit 位 宽 芯 片 ， 则 需 要两 个 DQM 引 脚 。 DRAM种 类 繁 多 ， 主 要 分 为 异 步 、 同 步 和 图 像DRAM三 大 类 别 。 还 有 一 种 Rambus公 司 的 RDRAM。 类型 名 称 特 点异步 FPM RAM FPM是 Fast Page Mode RAM的 缩 写 。 它 是 早 期 的标 准 ， 后 被 比 它 快 5%的 EDO DRAM所 取 代 。EDO RAM EDO RAM 动 态 存 储 器 (extended data output RAM)是 一 种 在 通 常 RAM中 加 入 一 块 静 态 RAM(SRAM)而 生 成 的 动 态 存 储 器 (DRAM)。 同 步 SDRAM SDRAM:Synchronous Dynamic Random Access Memory， 同 步 动 态随 机 存 储 器 。DDR SDRAM DDR SDRAM是 Double Data Rate SDRAM的 缩 写 ， 是 双 倍 速 率 同 步 动态 随 机 存 储 器 的 意 思 。Mobile DDR Mobile DDR (又 称 为 Low Power DDR 或 LPDDR) 是 DDR SDRAM 的 一 种 ， 专 门 用 于 移 动 式 电 子 产 品 。LPDDR JESD209-2 Low Power Double Data Rate低 功 耗 DDRLPDDR2 JESD209-2 Low Power Double Data Rate 2低 功 耗 DDR2LPDDR3 JESD209-2 Low Power Double Data Rate 3低 功 耗 DDR3DDR2 SDRAM DDR第 二 代 。 内 存 却 拥 有 两 倍 于 上 一 代 DDR内 存 预 读 取 能 力 （ 即 ：4bit数 据 读 预 取 ） 。DDR3 SDRAM DDR第 三 代 。 内 存 却 拥 有 四 倍 于 上 一 代 DDR内 存 预 读 取 能 力 （ 即 ：8bit数 据 读 预 取 ） 。DDR4 SDRAM DDR第 四 代 。 DDR4， 它 的 数 据 传 输 速 度 将 比 DDR3快 一 倍 ， 且 功耗 更 低 。 图像 EDO EDO内 存 (Extended Data Out DRAM)VRAM Video Random Access Memory:显 存 ,帧 存 储 器 ， 刷 新 存 储 器 ， 或 VRAM（ 缩写 ） 。WRAM WRAM (Window RAM)： 属 于 VRAM的 改 良 版 ， 其 不 同 之 处 在 于 其 控 制 线 路 有 一 、二 十 组 的 输 入 /输 出 控 制 器 ， 并 采 用 EDO的 资 料 存 取 模 式 。MDRAM MDRAM （ Multibank Dynamic RAM） 多 BANK动 态 内 存 ， MDRAM是 MoSys公 司 开 发 的 一 种 VRAM（ 视 频 内 存 ）SGRAM SGRAM (Synchronous Graphics Random-Access Memory)， 同 步 图 形 随 机 存储 器 ， 是 一 种 专 为 显 卡 设 计 的 显 存 、 一 种 图 形 读 写 能 力 较 强 的 显 存 ， 由SDRAM改 良 而 成 。GDDR2 图 形 储 存 器 DDR2GDDR3 GDDR3是 用 于 高 性 能 显 卡 的 专 用 图 形 储 存 器 。 GDDR3是 代 替 GDDR的 标 准 ，GDDR3标 准 借 鉴 了 通 用 的 DDR2的 很 多 特 性 ， 并 经 过 进 一 步 优 化 获 得 更 高 的 数据 速 率 和 更 低 的 功 耗 。 GDDR4 GDDR4属 于 双 倍 数 据 率 内 存 ， 通 过 使 用 Cutting-edge技 术 的 Data Bus Inversion及Multi-Preamble技 术 ， 使 其 在 理 论 上 相 对 GDDR3的 运 行 效 率 提 升 了 56%， 使 用GDDR4显 存 能 达 到 更 高 的 工 作 频 率 和 更 强 的 实 际 性 能 。GDDR5 GDDR5采 用 了 DDR3的 8bit预 取 技 术 ， 且 使 用 了 两 条 并 行 的 DQ总 线 ， 从 而 实 现 双倍 的 接 口 带 宽 。 双 DQ总 线 使 得 GDDR5的 针 脚 数 从 GDDR3/4的 136Ball大 幅 增 至170Ball。 GDDR5显 存 拥 有 多 达 16个 物 理 Bank， 这 些 Bank被 分 为 四 组 ， 双 DQ总 线交 叉 控 制 四 组 Bank， 达 到 了 实 时 读 写 操 作 ， 一 举 将 数 据 传 输 率 提 升 至 4GHz以 上 。 Rambus RDRAM RDRAM（ Rambus DRAM） 是 美 国 的 RAMBUS公 司 开 发的 一 种 内 存 。 与 DDR和 SDRAM不 同 ， 它 采 用 了 串 行 的数 据 传 输 模 式 。XDR1 DRAM XDR存 储 器 架 构 包 括 许 多 基 于 Rambus有 限 公 司 的 创 新专 利 的 关 键 使 能 技 术 ， 其 中 包 括 低 电 压 、 低 功 耗 差 分Rambus信 号 电 平 （ DRSL） ； 八 倍 率 数 据 传 输 率（ ODR） 技 术 用 以 在 每 个 时 钟 周 期 里 传 输 八 位 数 据 ；FlexPhase 电 路 技 术 为 数 据 和 时 钟 提 供 精 确 片 内 校 正 ；动 态 点 对 点 （ DPP） 则 提 高 了 信 号 完 整 性 和 扩 展 性 。XDR2 DRAM XDR2内 存 芯 片 的 标 准 设 计 位 宽 为 16bit（ 它 可 以 像 XDR那 样 动 态 调 整 位 宽 ） ， 按 每 个 数 据 引 脚 的 传 输 率 为8GHz， 即 8Gbps计 算 ， 一 枚 XDR2芯 片 的 数 据 带 宽 就 将达 到 16GB/s Rambus RDRAM RDRAM（ Rambus DRAM） 是 美 国 的 RAMBUS公 司 开发 的 一 种 内 存 。 与 DDR和 SDRAM不 同 ， 它 采 用 了串 行 的 数 据 传 输 模 式 。XDR1 DRAM XDR存 储 器 架 构 包 括 许 多 基 于 Rambus有 限 公 司 的 创新 专 利 的 关 键 使 能 技 术 ， 其 中 包 括 低 电 压 、 低 功 耗差 分 Rambus信 号 电 平 （ DRSL） ； 八 倍 率 数 据 传 输率 （ ODR） 技 术 用 以 在 每 个 时 钟 周 期 里 传 输 八 位 数据 ； FlexPhase 电 路 技 术 为 数 据 和 时 钟 提 供 精 确 片内 校 正 ； 动 态 点 对 点 （ DPP） 则 提 高 了 信 号 完 整 性和 扩 展 性 。XDR2 DRAM XDR2内 存 芯 片 的 标 准 设 计 位 宽 为 16bit（ 它 可 以 像XDR那 样 动 态 调 整 位 宽 ） ， 按 每 个 数 据 引 脚 的 传 输率 为 8GHz， 即 8Gbps计 算 ， 一 枚 XDR2芯 片 的 数 据带 宽 就 将 达 到 16GB/s 类 型 电 源 电 压 IO电 压DDR 2.5V 2.5VLPDDR 1.8V 1.8 (1.2V)DDR2 1.8V 1.8VLPDDR2 1.2V =VDDDDR3 1.5V (1.35V L) =VDDLPDDR3 1.2V 1.2V 标 准 名 称 I/O总 线 时 钟频 率 周 期 存 储 器 时 钟 频率 数 据 速 率 模 块 名 称 极 限 传 输 率 比 特 宽(MHz) (ns) (MHz) (MT/s) (GiB/s) (比 特 )DDR3-800 400 10 100 800 PC3-6400 6.4 64DDR3-1066 533 Feb-71 133 1066 PC3-8500 8.5 64DDR3-1333 667 6 166 1333 PC3-10600 10.6 64DDR3-1600 800 5 200 1600 PC3-12800 12.8 64DDR3-1866 933 Jul-42 233 1866 PC3-14900 14.9 64DDR3-2133 1066 Apr-33 266 2133 PC3-17000 17 64 DDR4内 存 规 格 DDR4内 存 将 会 拥 有 两 种 规 格 。 其中 使 用 Single-endedSignaling信 号 的 DDR4内 存 其 传 输速 率 已 经 被 确 认 为 1.6 3.2Gbps， 而 基 于 差 分 信 号 技术 的 DDR4内 存 其 传 输 速 率 则 将 可 以 达 到 6.4Gbps。 由于 通 过 一 个 DRAM实 现 两 种 接 口 基 本 上 是 不 可 能 的 ，因 此 DDR4内 存 将 会 同 时 存 在 基 于 传 统 SE信 号 和 差 分信 号 的 两 种 规 格 产 品 。 MDDR， 即 为 Mobile DDR SDRM,是 内 存 的 一种 ， 也 可 称 为 LPDDR(Low Power),以 低 功 耗 和 小 体 积为 优 势 ， 其 寿 命 也 比 DDR， DDR2长 。 相 对 于 DDR,在相 同 等 效 频 率 下 ， DDR需 消 耗 2.5V电 压 ， 而 MDDR只需 消 耗 1.8V。 由 于 MDDR体 积 小 ， 使 其 在 移 动 设 备 中 使 用 较 广泛 ， 例 如 手 机 ， 上 网 本 等 。 MDDR的 生 产 厂 家 主 要 有Samsung和 Micron。 （ 1） 首 先 关 于 节 能 技 术 ， 在 接 口 （ I/O） 与 内 部 的 电 压 和 内 部电 压 两 方 面 ， 原 来 的 LPDDR为 +1.8V， 而 此 次 的 LPDDR2还 支持 +1.2V。 并 且 ， 还 支 持 更 新 部 分 内 存 阵 列 的 “ Partial Array Self Refresh” 和 “ Per-Bank Refresh” 。 （ 2） 中 的 闪 存 和 SDRAM可 共 用 接 口 此 次 还 是 首 次 。 这 样 可 降低 控 制 器 的 引 脚 数 ， 提 高 内 存 子 系 统 周 围 的 安 装 密 度 。 （ 3） 的 内 存 特 性 和 容 量 方 面 ， 支 持 的 工 作 频 率 为 100MHz533MHz。 数 据 位 宽 为 8、 16和 32。 有 2bit和 4bit两 种 。 闪存 容 量 为 64Mbit 32Gbit， DRAM为 64Mbit 8Gbit。 随 着 手 持 移 动 设 备 的 硬 件 迅 速 发 展 ， 以 现 有 的 高 端 Cortex-A15 架 构 来 看 ， 最 高 频 率 可 达 2.5 GHz 与 支 持 最 多 1TB 的 内 存 所 带 来 的 总 线 带 宽 需 求 相 当 惊 人 。 虽 然 现 有 的 内 存 带 宽 仍足 以 满 足 需 求 ， 但 在 带 宽 与 省 电 性 上 还 是 有 继 续 改 进 的 必 要 ， 内存 大 厂 Samsung 今 日 在 其 Samsung Mobile Solutions Forum 中宣 布 可 供 行 动 装 置 使 用 的 30 奈 米 制 程 2GB LPDDR3 内 存 已 可 进入 量 产 阶 段 。 LPDDR3 内 存 每 个 针 脚 的 I/O 传 输 量 可 达 1,600Mbps， 在 以 双 信 道 模 式 运 作 下 ， 总 线 带 宽 可 达 12.8GB/s，总 体 来 说 多 出 前 代 架 构 50% 的 传 输 能 力 。 DDR采 用 了 2位 预 取 (2-bit prefetch)， 也 就 是 2： 1的 数 据 预 取 ， 2bit预 取 架 构 允 许内 部 的 队 列 (column)工 作 频 率 仅 仅 为 外 部 数 据 传 输 频 率 的 一 半 。 在 SDRAM中 数 据 传输 率 完 全 参 考 时 钟 信 号 ， 因 此 数 据 传 输 率 和 时 钟 频 率 一 样 。 DDR2采 了 4位 预 取 (4-bit prefetch)， 这 就 是 DDR2提 高 数 据 传 输 率 的 关 键 ， 可 以 在 不 提 高 内 部 存 储 阵 列 频率 的 情 况 下 提 高 数 据 输 出 带 宽 ,如 图 5-10所 示 。 DDR2 SDRAM中 有 4Bank和 8Bank的 设 计 ， 目 的 就 是 为 了 应 对 未 来 大容 量 芯 片 的 需 求 。 而 DDR3很 可 能 将 从 2Gb容 量 起 步 ， 因 此 起 始 的 逻 辑 Bank就 是 8个 ， 另 外 还 为 未 来 的 16个 逻 辑 Bank做 好 了 准 备 。 DDR3由 于 新 增 了 一 些 功 能 ， 所 以 在 引 脚 方 面 会 有 所 增 加 ， 8bit芯 片 采 用78球 FBGA封 装 ， 16bit芯 片 采 用 96球 FBGA封 装 ， 而 DDR2则 有 60/68/84球FBGA封 装 三 种 规 格 。 并 且 DDR3必 须 是 绿 色 封 装 ， 不 能 含 有 任 何 有 害 物 质。 由 于 DDR3的 预 取 为 8bit， 所 以 突 发 传 输 周 期 （ BL， Burst Length） 也 固 定 为 8， 而 对 于 DDR2和 早 期 的 DDR架 构 的 系 统 ，BL=4也 是 常 用 的 ， DDR3为 此 增 加 了 一 个 4-bit Burst Chop（ 突发 突 变 ） 模 式 ， 即 由 一 个 BL=4的 读 取 操 作 加 上 一 个 BL=4的 写入 操 作 来 合 成 一 个 BL=8的 数 据 突 发 传 输 ， 届 时 可 通 过 A12地 址线 来 控 制 这 一 突 发 模 式 。 而 且 需 要 指 出 的 是 ， 任 何 突 发 中 断 操作 都 将 在 DDR3内 存 中 予 以 禁 止 ， 且 不 予 支 持 ， 取 而 代 之 的 是 更灵 活 的 突 发 传 输 控 制 （ 如 4bit顺 序 突 发 ） 。 可 编 程 只 读 存 储 器 （ Programmable read-only memory） ， 缩 写 为 PROM 或 FPROM， 是 一 种 电 脑 存 储 记 忆 晶 片 ， 它 允 许 使 用 称 为 PROM编 程器 的 硬 件 将 数 据 写 入 设 备 中 。 在 PROM被 编 程 后 ， 它 就 只 能 专 用 那 些 数 据 ，并 且 不 能 被 再 编 程 这 种 存 储 器 用 作 永 久 存 放 程 序 之 用 。 通 常 会 用 于 电 子 游 戏机 、 或 电 子 词 典 这 类 可 翻 译 语 言 的 产 品 上 。 1 MASK ROM 2 PROM3 EPROM 4 E2PROM 4.Flash Memory 6 F-RAM7 MRAM8 PRAM 是 一 种 在 断 电情 况 下 仍 能 保 持 所 存 储 的 数 据 信 息 的 存 储 器 ， 它 能 以block的 区 块 单 位 进 行 擦 除 和 编 程 ， 而 不 是 以 字 节 为 单位 。 区 块 大 小 一 般 为 256KB 20MB。 闪 存 通 常 被 用来 保 存 控 制 代 码 ， 比 如 在 个 人 电 脑 中 的 基 本 输 入 /输 出系 统 （ BIOS） 。 当 BIOS需 要 被 改 变 （ 重 写 ） 时 ， 闪 存可 以 写 到 block（ 而 不 是 字 节 ） 大 小 ， 使 它 更 容 易 被 更新 。 另 一 方 面 ， 闪 存 不 像 任 意 存 取 存 储 器 （ RAM） 一样 有 用 ， 因 为 任 意 存 取 存 储 器 必 须 是 在 字 节 （ 而 不 是block） 水 平 可 设 定 地 址 的 。 1、 EEPROM 可 以 按 “ 位 ” 擦 写 ， 而 FLASH 只 能 一 大 片 一 大片 的 擦 。 2、 EEPROM 一 般 容 量 都 不 大 ， 如 果 大 的 话 ， EEPROM相 对与 FLASH 就 没 有 价 格 上 的 优 势 了 。 市 面 上 卖 的 stand alone 的EERPOM 一 般 都 是 在 64KBIT 以 下 ， 而 FLASH 一 般 都 是8MEG BIT 以 上 （ NOR 型 ） 。 3、 读 的 速 度 的 话 ， 应 该 不 是 两 者 的 差 别 ， 只 是 EERPOM一 般用 于 低 端 产 品 ， 读 的 速 度 不 需 要 那 么 快 ， 真 要 做 的 话 ， 其 实 也是 可 以 做 的 和 FLASH差 不 多 。 4、 因 为 EEPROM的 存 储 单 元 是 两 个 管 子 而 FLASH 是 一个 （ SST的 除 外 ， 类 似 于 两 管 ） ， 总 的 来 说 ， 对 与 用 户 来 说 ， EEPROM和 FLASH没 有 大 的区 别 ， 只 是 EEPROM是 低 端 产 品 ， 容 量 低 ， 价 格 便 宜 ， 但 是 稳定 性 较 FLASH要 好 一 些 。 但 对 于 EEPROM和 FLASH的 设 计 来 说 ， FLASH则 要 难 的多 ， 不 论 是 从 工 艺 上 的 还 是 从 外 围 电 路 设 计 上 来 说 。 闪 存 最 先 由 东 芝 公 司 提 出 ， 是 因 为 芯 片 存 储 器 单元 的 数 据 能 在 一 瞬 间 （ 或 闪 电 般 的 ） 被 删 除 。 在Fowler-Nordheim tunneling中 电 子 刺 破 薄 薄 的 一 层 绝缘 体 材 料 ， 并 从 有 联 系 的 每 个 存 储 单 元 的 浮 栅 移 动 电荷 。 Intel提 供 了 闪 存 的 一 种 形 式 ， 在 每 个 存 储 单 元 保存 2比 特 （ 而 不 是 1比 特 ） ， 这 样 能 够 使 存 储 量 翻 倍 而没 有 相 应 的 价 格 增 加 。 可 分 为 Self-Aligned Gate（ Stack Gate） 和 Split gate两 种 ， 前 者 以Intel为 代 表 ， 后 者 则 被 Toshiba、 SST（ 硅 碟 ） 等 厂 商 所 采 用 。 依 据 功 能 可 分 为 Code Flash（ 储 存 程 序 代 码 ） 和 Data Flash（ 储 存 一 般 资 料 ） 。 动 作 方 式 有 NOR和 DINOR两 种 ， 而 Data Flash动 作 方 式 则 有NAND及 AND两 种 ， 其 中 Code Flash主 要 以 NOR型 为 主 ， 储 存 系 统 程 序 代 码及 小 量 资 料 ， 应 用 于 PC、 通 信 移 动 电 话 、 PDA、 STB等 产 品 上 ； 而 则 是 以 NAND型 为 主 ， 用 于 储 存 大 量 资 料 ， 主 要 应 用 范 围 包括 DSC、 MP3等 所 需 要 的 各 式 规 格 的 小 型 记 忆 卡 。 程 序 和 数 据 可 存 放 在 同 一 芯 片 上 ， 拥 有 独 立 的 数 据 总 线 和地 址 总 线 ， 能 快 速 随 机 读 取 ， 允 许 系 统 直 接 从 Flash中 读 取 代 码执 行 ， 而 无 需 先 将 代 码 下 载 至 RAM中 再 执 行 。 由 于 NOR技 术 Flash Memory的 擦 除 和 编 程 速 度 较 慢 ， 而 块尺 寸 又 较 大 ， 因 此 擦 除 和 编 程 操 作 所 花 费 的 时 间 很 长 ， 在 纯 数据 存 储 和 文 件 存 储 的 应 用 中 ， NOR技 术 显 得 力 不 从 心 。 以 页 为 单 位 进 行 读 和 编 程 操 作 ， 1页 为 256或 512B（ 字 节） ； 以 块 为 单 位 进 行 擦 除 操 作 ， 1块 为 4kB、 8kB或 16kB。 具 有块 编 程 和 块 擦 除 的 功 能 ， 其 块 擦 除 时 间 是 2ms； 而 NOR技 术 的块 擦 除 时 间 达 到 几 百 ms。 数 据 、 地 址 采 用 同 一 总 线 ， 实 现 串 行 读 取 。 随 机 读 取 速 度 慢且 不 能 按 字 节 随 机 编 程 。 芯 片 尺 寸 小 ， 引 脚 少 ， 位 成 本 （ bit cost） 最 低 的 固 态 存 储器 。 芯 片 包 含 有 失 效 块 ， 其 数 目 最 大 可 达 到 3 35块 （ 取 决 于 存储 器 密 度 ） 。 失 效 块 不 会 影 响 有 效 块 的 性 能 ， 但 需 要 将 失 效 块在 地 址 映 射 表 中 屏 蔽 起 来 。 项 目 NOR Flash NAND Flash特 点 芯 片 内 执 行 系 统 RAM中传 输 效 率 高 中写 入 /擦 除 操 作 的 时 间 5s 4ms擦 除 器 件 时 块 大 小 64 128KB 8 32KB接 口 SRAM接 口 I/O接 口寿 命 （ 耐 用 性 ） 十 万 次 一 百 万 次 即 单 层 式 储 存 (Single Level Cell； SLC)， 包 括 三 星 电 子 、 Hynix、 美 光 （ Micron） 以 及 东 芝都 是 此 技 术 使 用 者 .多 层 式 储 存 （ Multi Level Cell； MLC)， 目 前 有 东 芝 、 Renesas、 三 星 使 用 ， 英 飞 凌 （Infineon） 与 Saifun Semiconductors合 资 利 用 NROM技术 所 共 同 开 发 的 多 位 储 存 （ Multi Bit Cell； MBC） 。 MLC是 英 特 尔 （ Intel） 在 1997年 9月 最 先 开 发 成 功 的 ， 其 作 用 是 将两 个 位 的 信 息 存 入 一 个 浮 动 栅 （ Floating Gate， 闪 存 存 储 单 元 中 存 放 电 荷 的部 分 ） ， 然 后 利 用 不 同 电 位 （ Level） 的 电 荷 ， 透 过 内 存 储 存 格 的 电 压 控 制精 准 读 写 ， 假 设 以 4种 电 压 控 制 、 1个 晶 体 管 可 存 取 2 bits 的 数 据 ， 若 是 控 制 8种 电 压 就 可 以 存 取 3 bits 的 数 据 ， 使 Flash 的 容 量 大 幅 提 升 ， 类 似 Rambus的QRSL技 术 ， 通 过 精 确 控 制 浮 动 栅 上 的 电 荷 数 量 ， 使 其 呈 现 出 4种 不 同 的 存储 状 态 ， 每 种 状 态 代 表 两 个 二 进 制 数 值 （ 从 00到 11） 。 当 然 不 光 是 NOR型 闪 存 在 使 用 ， 东 芝 在 2003年 2月 推 出 第 一 款 MLC型 的NAND Flash， 并 接 续 2004年 4月 推 出 采 用 MLC技 术 的 4Gbit与 8Gbit NAND Flash， 显 然 这 对 于 本 来 就 以 容 量 见 长 的 NAND闪 存 更 是 如 虎 添 翼 。 根 据Semiconductor Insights研 究 ， 东 芝 利 用 90nm MLC技 术 所 开 发 出 来 的 4Gb， 其 die面 积 为 144 mm2。 SLC技 术 与 EEPROM相 同 ， 但 在 浮 置 闸 极(Floating gate)与 源 极 (Source gate)之 中 的 氧 化 薄 膜 更薄 ， 其 数 据 的 写 入 是 透 过 对 浮 置 闸 极 的 电 荷 加 电 压 ，然 后 可 以 透 过 源 极 ， 即 可 将 所 储 存 的 电 荷 消 除 ， 藉 由这 样 的 方 式 ， 便 可 储 存 1个 个 信 息 位 ， 这 种 技 术 的 单 一位 细 胞 方 式 能 提 供 快 速 的 程 序 编 程 与 读 取 ， 不 过 此 技术 受 限 于 低 硅 效 率 (Silicon efficiency)的 问 题 ， 必 须 要藉 由 较 先 进 的 流 程 强 化 技 术 (Process enhancements)，才 能 向 上 提 升 SLC制 程 技 术 。 SLC架 构 是 0和 1两 个 充 电 值 ， 而 MLC架 构 可 以 一 次 储 存 4个 以 上 的 充 电 值 ， 因 此 MLC架 构 可 以 有 比 较 好 的 储 存 密 度 ， 再加 上 可 利 用 比 较 老 旧 的 生 产 程 备 来 提 高 产 品 的 容 量 ， 而 无 须 额外 投 资 生 产 设 备 ， 可 以 享 有 成 本 与 良 率 的 优 势 。 至 于 存 取 速 度 ， SLC架 构 比 MLC架 构 要 快 速 三 倍 以 上 ， 加上 MLC架 构 对 于 电 力 的 消 耗 较 多 ， 因 此 使 用 者 若 是 考 虑 长 久 使用 、 安 全 储 存 数 据 以 及 高 速 的 存 取 速 度 等 要 求 ， 恐 怕 会 改 采 用SLC架 构 。 MLC架 构 理 论 上 只 能 承 受 约 1万 次 的 数 据 写 入， 而 SLC架 构 可 承 受 约 10万 次 ， 是 MLC的 10倍 。 MLC技 术 并 非 一 家 厂 商 垄 断 ， 像 东 芝 （ Toshiba） 已 生 产 了 好 几 代 MLC架 构 NAND闪 存 ， 包 括 前 不 久宣 布 和 美 国 SanDisk公 司 共 同 开 发 的 采 用 最 先 进 56nm工 艺 的 16Gb（ 2gigabyte） 和 8Gb（ 1gigabyte） MLC NAND闪 存 ， 16Gb是 单 芯 片 的 业 内 最 大 容 量 。 SLC技 术 被 开 发 的 年 头 远 早 于 MLC技 术 ， 与 之 相 匹 配 的 控 制 芯 片 技 术上 已 经 非 常 成 熟 ， SLC产 品 数 据 写 入 速 度 最 快 能 达 到 9664KB/s（ KISS KS900） ， 读 取 速 度 最 快 能 达 到 13138KB/s（ mobiBLU DAH-1700） ， 而 同样 在 高 速 USB2.0接 口 协 议 下 写 入 速 度 最 慢 的 还 不 足 1500KB/s， 读 取 速 度 最慢 的 也 没 有 超 过 2000KB/s。 都 是 SLC闪 存 芯 片 ， 都 是 高 速 USB2.0接 口 协 议， 为 什 么 差 别 会 如 此 大 。 一 位 业 内 资 深 设 计 师 的 答 案 是 闪 存 控 制 芯 片 效 能 低， 且 与 闪 存 之 间 的 兼 容 性 不 好 ， 这 类 产 品 不 仅 速 度 慢 而 且 在 数 据 操 作 时 出错 的 概 率 也 大 。 这 个 问 题 在 MLC闪 存 刚 投 入 市 场 时 同 样 也 困 扰 着 MLC技 术的 发 展 ， 好 在 去 年 12月 我 们 终 于 看 到 了 曙 光 。 这 就 是 擎 泰 科 技 （ Skymedi Corporation） 为 我 们 带 来 的 新 一 代 高 速 USB2.0控 制 芯 片 SK6281及 SD 2.0/MMC 4.2的 combo快 闪 记 忆 卡 控 制 芯 片 SK6621， 在 MLC NAND闪 存 的 支 持 与 速 度 效 能 上 皆 有 良 好 表 现 。 其 所 支 持 的 MLC芯 片 已 经 达 到 了 Class4的传 输 速 度 。 SLC架 构 由 于 每 Cell仅 存 放 1bit数 据 ， 故 只 有 高 和低 2种 电 平 状 态 ， 使 用 1.8V的 电 压 就 可 以 驱 动 。 而MLC架 构 每 Cell需 要 存 放 多 个 bit， 即 电 平 至 少 要 被 分为 4档 （ 存 放 2bit） ， 所 以 需 要 有 3.3V及 以 上 的 电 压 才能 驱 动 。 最 近 传 来 好 消 息 ， 英 特 尔 新 推 出 的 65纳 米MLC写 入 速 度 较 以 前 产 品 提 升 了 二 倍 ， 而 工 作 电 压 仅为 1.8V， 并 且 凭 借 低 功 耗 和 深 层 关 机 模 式 ， 其 电 池 使用 时 间 也 得 到 了 延 长 。 在 一 次 读 写 中 SLC只 有 0或 1两 种 状 态 ， 这 种 技 术 能 提 供 快速 的 程 序 编 程 与 读 取 ， 简