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SDRAM存储器详解

SDRAM 是同步动态随机存储器 Synchronous Dynamic Random Access Memory,通常作为嵌入式系统的内存,等同于普通 PC 的内存。SDRAM 从发展到现在已经经历了 4 代,分别为 SDR SDRAM、DDR SDRAM、DDR2 SDRAM 和 DDR3 SDRAM。

第 1 代 SDR SDRAM 采用单端 Single-Ended 时钟信号,而从第 2 代~第 4 代则由于工作频率比较快,所以采用了可降低干扰的差分时钟信号作为时钟信号,该时钟信号即为数据存储的频率。

第 1 代 SDRAM 采用时钟频率来命名,如 PC100、PC133 则表示时钟频率为 100MHz/133MHz,数据读/写速率也为 100MHz/133MHz。从第 2 代开始的 DDR SDRAM 则采用数据读/写速率命名,并且在前面加上表示其 DDR 代数编码的数字,如 PC2700 是 DDR333,其工作频率是 333MHz/2 = 160MHz,2700 则表示带宽为 2.7GB。

DDR 的读/写频率为 DDR200~DDR400;DDR2 从 DDR2-400~DDR2-800;DDR3 从 DDR3-800~DDR3-1600。

DDR4 内存规范已经完成,其对应的服务器、消费级产品已经逐步普及,而 DDR4 SO-DIMM 笔记本内存也已经开始产品化(如美光的 Crucial)。

1. SDRAM 的主要参数

SDRAM 的两个主要参数说明如下:

  • 容量:SDRAM 的容量通常用“存储单元×体×每个存储单元的位数”来表示,例如,某 SDRAM 芯片的容量为 4M×4×8bit,则表明该存储器芯片的容量为 16MB(字节),或者 128Mb。
  • 时钟周期:SDRAM 能运行的最大频率,如对应 PC100 的 SDRAM 则表示其时钟周期为 10ns,工作频率则为 100MHz。

此外,SDRAM 还有存取时间、CAS 延迟时间、综合性能评价等参数,在此不再赘述。

在 SDRAM 中有两个很重要的概念:物理 Bank 和芯片位宽。参数说明如下:

  • 物理 Bank:处理器和 SDRAM 进行数据交互所需要的数据总线的位宽。
  • 芯片位宽:SDRAM 芯片的数据总线的位宽。

通常来说,物理 Bank 会大于等于芯片的位宽,在这个时候 SDRAM 就需要将多块芯片组合到一起以满足物理 Bank 的需求。

2. SDRAM的分类特点

SDRAM的分类和特点如表 1 所示。

表 1:SDRAM 的分类和特点
参数 SDR SDRAM DDR SDRAM DDR2 SDRAM DDR3 SDRAM
核心频率(MHz) 66~166 100~200 100~200 100~250
时钟频率(MHz) 66~166 100~200 200~400 400~1000
数据传输率(Mbps) 66~166 200~400 400~800 800~2000
预取设计 1bit 2bit 4bit 8bit
突发长度 1/2/4/8full page 2/4/8 4/8 8
CL 值 2/3 2/2.5/3 3/4/5/6 5/6/7/8/9
Bank 数量 2/4 2/4 4/8 8
工作电压 3.3V 2.5/2.6V 1.8V 1.5V
封装 TSOP Ⅱ-54 TSOP Ⅱ-54/66 FBGA60/68/84 FBGA78/96
生产工艺(nm) 90/110/150 沿用 SDR 生产线 70/80/90 53/65/70/90 45/50/65
容量标准(Byte) 2M~32M 8M~128M 32M~512M 64M~1G
新增特性   查分时钟,DOS ODT、OCD、AL、POS-TED CAS 异步重置Reset
优点 制造工艺简单,TSOP 封装焊接拆卸方便,成品率高。 数据传输率有所提高,生产设备简单。 数据传输速率高、更好的电器性能与散热性、体积小、功耗大、无需上拉终结电阻、成本相对较低。 工作频率进一步提高,功耗和发热量更小,容量更大。
缺点 速度快、焊盘与 PCB 接触面积小、散热差、高频阻抗和寄生电容影响稳定性和频率提升。 容量受限、高频时稳定性和散热性差、需要大量终结电阻。 CL 延迟增加、成品率较低。 价格较高

3. SDRAM 的典型芯片

SDRAM 的典型结构如图 1 所示:

SDRAM 的典型结构
图 1:SDRAM 的典型结构

这是一块 4M×4×8bit 的 HYB25L35610,可以看到其共有 54 个引脚,可以分为如下的几大部分:

  • 地址输入引脚:执行 ACTIVE 命令和 READ/WRITE 命令时用于决定使用的 bank。
  • 时钟输入引脚:高电平有效,当该引脚处于低电平期间,提供给所有 bank 预充电和刷新的操作。
  • 片选信号引脚:在多存储芯片架构中选择进行存取的芯片。
  • 行地址选通和列地址选通引脚。
  • bank 地址输入信号引脚:决定使用激活的 bank,如果引脚数目为 n,2n 则为 bank 的数量。
  • 输入/输出屏蔽引脚。
  • 电源相关引脚。

单个 SDRAM 芯片如图 2 所示,这是一片 HY5DU 12822BT-D43。

单个 SDRAM 芯片
图 2:单个 SDRAM 芯片

常见的 SDRAM 实体都是以模组形式存在的,即内存条,如图 3 所示。

常见的 SDRAM 实体
图 3:常见的 SDARM 实体

而在嵌入式系统中,最常用的是 Hynix(海力士,原现代)、Micron(美光)、Spectek(镁光)、Elpida(必尔达)生产的 8 位 /16 位数据宽度、工作在 3.3V 电压下的单个 SDRAM 芯片,它们的典型产品如表 2 所示。

表 2:典型的 SDRAM 产品
厂商 SDRAM DDR SDRAM DDR2 SDRAM
Hynix HY57V64820HGT-H(8M×8 PC133)、HY57V561620FTP-H-A(16M×16 PC133)、HY5S7B2ALFP-6E-C(16M×16 PC133) HY5DU281622FTP-D43-C(8M×16 PC400)、HY5DU12822CTP-J-C(64M×8 PC333)、HY5DU12822CTP-D43(64M×8 PC400) HY5PS12821EFP-Y5(64M×8 PC667)、HY5PS1G1631CFP-Y5-C(64M×16 PC667)、HY5PS12821CFP-S5(64M×8 PC800)、HY5PS1G831CFP-S6(128M×8 PC800)
Micron MT48LC16M16A2P-7(16M×16 PC143)、MT48LC4M32B2P-6(4M×32 PC166) MT46V64M8P-5B(64M×8 PC400)、MT46V128M4P-5B(128M×8 PC400) MT47H32M16HQ-25(32M×16 PC800)、MT47H128M8HQ-25:E(32M×8 PC800)、MT47H64M16HR-3:E(64M×16 PC667)
Spectek S16008LK6TKF-75A(8M×16 PC133)、S16004LK6TKF-75A(4M×16 PC133)
Elpida EDS2516CDTA-75-E(16M×16 PC133)、EDS6432AFTA-6B-E(2M×32 PC166) EDD5108ADTA-5C(64M×8 PC400)、EDD5108AGTA-5B-E(64M×8 PC533) EDE5108ABSE-5C-E(64M×8 PC533)、EDE5104AESK-4A-E(128×4 PC400)

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