SDRAM工作原理

原文地址：SDRAM工作原理作者：胡昶基

    SDRAM（Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步动态随机存储器）也就是通常所说的内存。在我们现在所用的PC机中，所指的内存，其实就是SDRAM，只不过是他的升级版，如DDR内存，DDR2内存，DDR3内存等等，大部分显卡上的显存也是SDRAM的。

    内存是代码的执行空间，以PC机为例，程序是以文件的形式保存在硬盘里面的，程序在运行之前先由操作系统装载入内存中，由于内存是RAM（随机访问存储器），可以通过地址去定位一个字节的数据，CPU在执行程序时将PC的值设置为程序在内存中的开始地址， CPU会依次的从内存里取址，译码，执行，在内存没有被初始化之前，内存好比是未建好的房子，是不能读取和存储数据的，因此我们要想让程序运行在内存里必须进行内存的初始化。

    在介绍内存工作原理之前有必要了解下存储设备的存储方式：ROM，RAM

    ROM(Read-Only Memory)：只读存储器，是一种只能读出事先所存数据的固态半导体存储器。其特性是一旦储存资料就无法再将之改变或删除。通常用在不需经常变更资料的电子或电脑系统中，资料并且不会因为电源关闭而消失。如：PC里面的BIOS。

    RAM(Random Access Memory) ：随机访问存储器，存储单元的内容可按需随意取出或存入，且存取的速度与存储单元的位置无关的存储器。可以理解为，当你给定一个随机有效的访问地址，RAM会返回其存储内容(随机寻址)，它访问速度与地址的无关。这种存储器在断电时将丢失其存储内容，故主要用于存储短时间内随机访问使用的程序。计算机系统里内存地址是一个四字节对齐的地址（32位机），CPU的取指，执行，存储都是通过地址进行的，因此它可以用来做内存。

    RAM按照硬件设计的不同，随机存储器又分为DRAM（Dynamic RAM)动态随机存储器和SRAM（Static RAM) 静态随机存储器。

    DRAM：它的基本原件是小电容，电容可以在两个极板上短时间内保留电荷，可以通过两极之间有无电压差代表计算机里的0和1，由于电容的物理特性，要定期的为其充电，否则数据会丢失。对电容的充电过程叫做刷新，但是制作工艺较简单，体积小，便于集成化，经常做为计算机里内存制作原件。比如：PC的内存，SDRAM, DDR, DDR2, DDR3等，缺点：由于要定期刷新存储介质，存取速度较慢。

    SRAM：它是一种具有静止存取功能的内存，不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。因此其存取速度快，但是体积较大，功耗大，成本高，常用作存储容量不高，但存取速度快的场合，比如CPU的L1 cache，L2cache(一级，二级缓存) ，寄存器。

 

    为了满足开发的需要jz2440在出厂时搭载了三种存储介质：

（1）NOR FLASH（2M）：ROM存储器，通常用来保存BootLoader，引导系统启动

（2）NAND FLASH（256M，型号不一样，Nandflash大小不一样）：保存操作系统映像文件和文件系统

（3）SDRAM（64M）：内存，执行程序

NOR FLASH：它的特点是支持XIP芯片内执行（eXecute In Place），这样应用程序可以直接在Flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中，也就是说可以随机寻址。NOR FLASH的成本较高。

NAND FLASH：它能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。其成本较低，不支持XIP。可做嵌入式里的数据存储介质。如：手机存储卡，SD卡等。

 

S3C2440地址空间：

S3C2440对外引出了27根地址线ADDR0~ADDR26，它最多能够寻址128MB，而S3C2440的寻址空间可以达到1GB，这是由于S3C2440将1GB的地址空间分成了8个BANKS（Bank0~Bank7），其中每一个BANK对应一根片选信号线nGCS0~nGCS7，当访问BANKx的时候，nGCSx管脚电平拉低，用来选中外接设备， S3C2440通过8根选信号线和27根地址线，就可以访问1GB。如下图所示：

SDRAM存储结构：

先来介绍一下CPU提供的一组用于SDRAM的信号：

1.       SDRAM的时钟有效信号SCKE；

2.       SDRAM的时钟信号SCLK0，SCLK1；

3.       数据掩码信号DQM0，DQM1，DQM2，DQM3；

4.       SDRAM片选信号nSCS0（它与nGCS6是同一引脚的两个功能）；

5.       SDRAM行地址选通脉冲信号nSRAS；

6.       SDRAM列地址选通脉冲信号nSCAS；

7.       写允许信号nWE（它不是专用于SDRAM的）。

SDRAM的内部是一个存储阵列，阵列就类似于表格一样，有行、列之分，这样我们要访问（读、写）一个单元，就要先指定一个行地址，一个列地址，这样就找到了该单元，这就是SDRAM的寻址的基本原理。这里的单元我们一般称为存储单元，而整个表格称为逻辑BANK（Logical  Bank , L-BANK），一般每个SDRAM都会有4个L-BANK。SDRAM的逻辑结构如下图所示：

jz2440是选用2片HY57V561620FTP-H组成64MB、32位的内存，每片32MB容量、16位数据总线。原理图如下：

在图中可以看到，行地址、列地址共用地址线ADDR2~ADDR14（BANK6位宽为32，ADDR0、1没有使用），使用nSRAS、nSCAS两个信号来区分它们。在jz2440开发板中，使用两根地址线ADDR24、ADDR25作为L-Bank的选择信号；SDRAM芯片K4S561632的行地址数为13，列地址数为9，所以当nSRAS信号有效时，ADDR2~ADDR14上发出的是行地址信号，它对应32位地址空间的bit[23:11]；当nSCAS信号有效时，ADDR2~ADDR10发出的是列地址信号，它对应32位地址空间的bit[10:2]。

重点关注SDRAM芯片K4S561632地址线 A0~A12的说明：

该芯片每一个Bank有13行（RA0~RA12），9列（CA0~CA8），行寻址时使用A0~A12，列寻址分时复 用，只使用了CA0~CA8。nRAS、nCAS引脚，用于标识当前是行寻址还是列寻址，从而实现地址线的分时复用。

jz2440开发板是由两块16位的SDRAM芯片并联组成32位的位宽，与CPU的32根数据线DATA0~DATA1相连。SDRAM是连接在BANK6上的，起始地址为0x30000000，所以SDRAM的访问地址为0x30000000~0x33FFFFFF，大小为64MB。

 

看了上面那些内容，里面有某些东西令我百思不得其解，可能是自己太笨了，不过最后还是想明白了。

1、为什么两块SDRAM芯片并联起来，容量大小是64MB呢？

原因是这样的：SDRAM芯片有4个bank，每个bank的行地址数是13、列地址数是9，由两块16位的SDRAM芯片并联组成32位的位宽，与CPU的32根数据线DATA0~DATA1相连。则其存储空间为(2^13*2^9*4*32bit)/8 = 2^26*8bit/ 8 = 2^26 Byte = 64MB

 

2、为什么SDRAM芯片的A0地址引脚连接的是ARM芯片的A2引脚呢？  

根据上一问可知，该SDRAM存储空间为64MB，S3C2440要寻址64MB需要地址线26根。由原理图可知SDRAM的数据总线位宽为32位，即一次传输4个字节的数据。因此，我们可以这样理解，即一个地址空间其实对应着4个字节的数据，实际上真正的寻址空间只有16MB而已，只需24根地址线（行地址线13根，列地址线9根，还有L-Bank选择信号的A24、A25两根地址线，总共24根）就已经足够了，这样S3C2440端并不需要将26根地址线全部连接到SDRAM芯片上，只需要给出高24位地址（A2~A25），相当于数据总线上每传输4个字节的数据，地址空间的第三位（A2）才增加1，即A0和A1可以不接。此时的A0和A1应该是低电平。然后，SDRAM芯片即根据S3C2440给的行地址、列地址和L-Bank选择信号找到对应的地址空间，将该地址空间的4个字节发送到数据总线上。以此类推，数据位宽为8位，就arm芯片的A0接SDRAM的A0，16位就A1接A0，32位就A2接A0。

 

还有一个细节，即为什么SDRAM芯片的BA0~BA1连接的是S3C2440芯片的LADDR24~LADDR25引脚？

   因为，HY57V561620为32MB的SDRAM芯片，我们知道，32MB的存储空间是需要 25 根地址线寻址的，由于BA0~BA1引脚决定了访问第几个Bank，即决定了存储空间的最高两位，因此，需要使用S3C2440的25根地址线中的最高两位来连接 BA0~BA1，这样就可以满足寻址的映射要求了。