Синхронная память — SDRAM и DDR SDRAM
Микросхемы синхронной динамической памяти SDRAM (Synchronous DRAM) представляет собой конвейеризированные устройства. По составу сигналов интерфейс SDRAM близок к обычной динамической памяти: кроме входов синхронизации здесь есть мультиплексированная шина адреса, линии RAS#, CAS#, WE# (разрешение записи) и CS# (выбор микросхемы) и линии данных (табл. 7.3). Все сигналы стробируются по положительному перепаду синхроимпульсов, комбинация управляющих сигналов в каждом такте кодирует определенную команду . С помощью этих команд организуется та же последовательность внутренних сигналов RAS и CAS, которая рассматривалась и для памяти FPM.
Таблица 7.3 . Назначение сигналов в микросхемах SDRAM
| Сигнал | I/O | Назначение |
| CLK | I | Clock Input — синхронизация, действует по положительному перепаду |
| CKE | I | Clock Enable — разрешение синхронизации (высоким уровнем). Низкий уровень переводит микросхему в режим Power Down, Suspend или Self Refresh |
| CS# | I | Chip Select — разрешение декодирования команд (низким уровнем). При высоком уровне новые команды не декодируются, но выполнение начатых продолжается |
| RAS#, CAS#, WE# | I | Row Address Strobe, Column Address Strobe, Write Enable — сигналы, определяющие операцию (код команды) |
| BS0, BS1 или BA0, BA1 | I | Bank Selects или Bank Address — выбор банка, к которому адресуется команда |
| А[0:12] | I | Address — мультиплексированная шина адреса. В циклах Bank Activate определяют адрес строки. В циклах Read/Write линии A[0:9] и А11 задают адрес столбца. Линия А10 в циклах Read/Write включает режим автопредзаряда (при А10=1), в цикле Precharge A10=1 задает предзаряд всех банков (независимо от BS0, BS1) |
| DQx | I/O | Data Input/Output — двунаправленные линии данных |
| DQM | I | Data Mask — маскирование данных. В цикле чтения высокий уровень переводит шину данных в высокоимпедансное состояние (действует через 2 такта). В цикле записи высокий уровень запрещает запись текущих данных, низкий — разрешает (действует без задержки) |
| VSS, VDD | – | Общий провод и питание ядра |
| VSSQ, VDDQ | – | Общий провод и питание выходных буферов. Изолированы от питания ядра для снижения помех |
Данные для первой передачи пакета записи устанавливаются вместе с командой WR. Данные для остальных передач пакета передаются в следующих тактах. Первые данные пакета чтения появляются на шине через определенное количество тактов после команды. Это число, называемое CAS Latency (CL), определяется временем доступа TCAC и тактовой частотой. Остальные данные пакета выдаются в последующих тактах. Временные диаграммы работы SDRAM приведены на рис. 7.6. Здесь показана команда записи WR, за которой следует команда чтения RD из той же страницы, предварительно открытой командой ACT. Далее страница закрывается командой PRE. Длина пакета 2, CL = 3.
Рис. 7.6 . Временные диаграммы пакетных циклов SDRAM: А и В — данные для записи по адресу R0/C0 и R0/C0+1, С и D — данные, считанные по адресу R0/C1 и R0/C1 +1
Регенерация (цикл CBR с внутренним счетчиком адреса регенерируемой строки) выполняется по команде REF, которую можно вводить только при состоянии покоя (idle ) всех банков.
Микросхемы SDRAM оптимизированы для пакетной передачи. У них при инициализации программируется длина пакета (burst length=1, 2, 4, 8 элементов), порядок адресов в пакете (wrap mode: interleave/linear — чередующийся/линейный) и операционный режим. Пакетный режим может включаться как для всех операций (normal), так и только для чтения (Multiple Burst with Single Write). Этот выбор позволяет оптимизировать память для работы либо с WB, либо с WT-кэшем.
Обратим внимание, что внутренний счетчик адреса работает по модулю, равному запрограммированной длине пакетного цикла (например, при burst length=4 он не позволяет перейти границу обычного четырехэлементного пакетного цикла).
Пакетные циклы могут прерываться (принудительно завершаться) последующими командами. При этом оставшиеся адреса отбрасываются, и прерывающий пакет будет иметь полную длину (если его самого не прервут).
В команде Write имеется возможность блокирования записи данных любого элемента пакета — для этого достаточно в его такте установить высокий уровень сигнала DQM. Этот же сигнал используется и для перевода в высокоимпедансное состояния буферов данных при операции чтения.
Микросхемы SDRAM имеют средства энергосбережения , для управления ими используется вход разрешения синхронизации CKE.
В режиме саморегенерации (Self Refresh) микросхемы периодически выполняют циклы регенерации по внутреннему таймеру и не реагируют на внешние сигналы, поэтому внешняя синхронизация может быть остановлена.
Режимы пониженного потребления (Power Down Mode) устанавливаются при переводе CKE в низкий уровень командой NOP или INHBT. В этих режимах микросхема не воспринимает команд. Поскольку в данных режимах регенерация не выполняется, длительность пребывания в них ограничена периодом регенерации.
Если во время выполнения команды чтения или записи установить CKE=L, то микросхема перейдет в режим Clock Suspend Mode , в котором «замораживается» внутренняя синхронизация (нет продвижения данных) и не воспринимаются новые команды.
Для памяти SDRAM ключевыми параметрами являются:
♦ допустимая тактовая частота;
♦ CL (Cas Latency) — число скрытых тактов (2 или 3);
♦ TRCD — задержка RAS-CAS, выраженная в тактах (2 или 3);
♦ TRP — время предварительного заряда RAS;
♦ TRC — минимальное время цикла обращений к строкам одного банка;
♦ TAC — время задержки появления данных на выходе относительно фронта синхросигнала.
По тактовой частоте для SDRAM, применяемой в качестве ОЗУ PC-совместимых компьютеров, имеется три градации: PC66 (поначалу ее так не называли, поскольку другой и не было), PC100 и PC133 для максимальных частот 66,6, 100 и 133 МГц соответственно. Их ключевые параметры приведены в табл. 7.4. В обозначении быстродействия микросхем SDRAM обычно фигурирует TAC; период частоты синхронизации, естественно, не может быть меньше этой задержки. Микросхемы со спецификацией -10 могут устойчиво работать в модулях лишь на частоте 66 МГц. Микросхемы -8 могут работать на частоте 100 МГц, но, в зависимости от модификации, с разной латентностью. Так, например, для памяти Micron микросхемы с маркировкой -8А…-8С могут работать на частоте 100 МГц с CL = 3, a -8D или -8Е — с CL = 2.
Таблица 7.4 . Ключевые параметры временной диаграммы SDRAM
| Спецификация | CL | TRCD | TRP | TRC | Примечание | |
| PC66 | Медленный вариант | |||||
| 2 | Самый быстрый вариант | |||||
| PC100 | Медленный вариант | |||||
| 3 | Средний вариант | |||||
| 2 | Самый быстрый вариант | |||||
| PC133 | Медленный вариант | |||||
| 3 | Средний вариант | |||||
| 2 | Средний вариант | |||||
| 2 | Самый быстрый вариант |
Естественно, память может работать и на частотах ниже максимальной. Для микросхем SDRAM, применяемых, например, в графических адаптерах, существуют и иные спецификации быстродействия.
Синхронный интерфейс позволяет довольно эффективно использовать шину и обеспечить на частоте 100 МГц пиковую производительность 100 Мбит/с на 1 вывод шины данных. SDRAM используют в составе модулей DIMM с 8-байтной разрядностью, что дает производительность 800 Мбайт/с. При частоте шины 133 МГц пиковая производительность уже достигла 1064 Мбайт/с. Однако эта теоретическая производительность не учитывает накладные расходы на регенерацию и подразумевает, что требуемые страницы уже открыты. Из-за указанных выше ограничений на реальном произвольном потоке запросов производительность, конечно же, будет ниже. Потенциальные возможности почти одновременного обслуживания множества запросов, предоставляемые микросхемами SDRAM, будут реализованы лишь при достаточно «умном» контроллере памяти. От его предусмотрительности эффективность памяти зависит, пожалуй, больше, чем у простых модулей FPM и EDO DRAM.
Память DDR SDRAM представляет собой дальнейшее развитие SDRAM. Как и следует из названия (Dual Data Rate — удвоенная скорость данных), у микросхем DDR SDRAM данные внутри пакета передаются с удвоенной скоростью — они переключаются по обоим фронтам синхроимпульсов (рис. 7.7). На частоте 100 МГц DDR SDRAM имеет пиковую производительность 200 Мбит/с на вывод, что в составе 8-байтных модулей DIMM дает производительность 1600 Мбайт/с. На высоких тактовых частотах (100 МГц) двойная синхронизация предъявляет очень высокие требования к точности временных диаграмм. Для повышения точности синхронизации предпринят ряд мер.
♦ Сигнал синхронизации микросхемы подается в дифференциальной форме по двум линиям CLK и CLK# (Differential clock inputs). Это позволяет снизить влияние смещения уровней на точность определения момента синхронизации — дифференциальный приемник срабатывает в момент равенства уровней напряжения.
♦ Для синхронизации данных в интерфейс введен новый двунаправленный стробирующий сигнал DQS. Стробы генерируются источником данных: при операциях чтения DQS генерируется микросхемой памяти, при записи — контроллером памяти (чипсетом). При чтении фронты и спады этого сигнала точно центруются в моменты смены данных, приемник должен стробировать данные с небольшой задержкой относительно переключений DQS. При записи фронты и спады центруются точно посередине окна действительности данных и масок DQM.
♦ Для синхронизации DQS с системной тактовой частотой (CLK) микросхемы имеют встроенные схемы DLL (Delay Locked Loop) для автоподстройки задержки сигнала DQS относительно CLK. Эта схема работает наподобие фазовой автоподстройки и способна выполнять синхронизацию (обеспечивать совпадение фронтов DQS и CLK) лишь в некотором ограниченном диапазоне частот синхронизации.
Рис. 7.7 . Временны́е диаграммы пакетных циклов DDR SDRAM: a — чтение, CL = 2, длина пакета 4; б — запись, длина пакета 4, данные D1 не записываются
Есть микросхемы DDR SDRAM с возможностью отключения схем DLL; для этого они имеют дополнительный расширенный регистр режима. Отключение DLL необходимо при снижении тактовой частоты (в целях энергосбережения). При отключенной схеме DLL стробы DQS не привязаны к синхросигналу CLK, и у разных микросхем, работающих в одной системе, они будут иметь разные частоты.
В отличие от обычных микросхем SDRAM, у которых данные для записи передаются одновременно с командой, в DDR SDRAM данные для записи (и маски DQM) подаются с задержкой на один такт (write latency). Значение CAS Latency может быть и дробным (CL = 2, 2,5, 3).
В перспективе ожидается появление микросхемы DDR-II SDRAM, в которой обмен будет на четырехкратной частоте синхронизации.
Перед «штатным» использованием микросхем SDRAM их требуется инициализировать. После подачи питания и установления синхросигнала должен быть выполнен предварительный заряд всех банков, после чего запрограммирован регистр режима. Параметр CL (CAS Latency) выбирают, исходя из спецификации микросхем и тактовой частоты так, чтобы задержка, обусловленная CL, была бы минимальной, но не меньше TCAC. В DDR SDRAM возможны и дробные значения CL, так что настройка может быть более тонкой. В DDR SDRAM из-за необходимости настройки DLL программирование сложнее.
По причине существенного отличия интерфейса от традиционной асинхронной памяти микросхемы SDRAM не могут быть установлены в модули SIMM; они применяются в DIMM или устанавливаются прямо на системную (или графическую) плату. Интерфейс DDR SDRAM сильно отличается и от обычных микросхем SDRAM. Возможность использования этих типов памяти определяется чипсетом системной платы. Память SDRAM в конце 90-х годов стала самой распространенной, поддержка DDR SDRAM появилась лишь сравнительно недавно.
Память Rambus DRAM
Память RDRAM (Rambus DRAM) имеет синхронный интерфейс, существенным образом отличающийся от вышеописанного. Запоминающее ядро этой памяти построено на все тех же КМОП-ячейках динамической памяти, но пути повышения производительности интерфейса совершенно иные. Подсистема памяти (ОЗУ) RDRAM состоит из контроллера памяти, канала и собственно микросхем памяти. По сравнению с DDR SDRAM, при той же производительности RDRAM имеет более компактный интерфейс и большую масштабируемость. Разрядность ОЗУ RDRAM (16 байт) не зависит от числа установленных микросхем, а число банков, доступных контроллеру, и объем памяти суммируются по всем микросхемам канала. При этом в канале могут присутствовать микросхемы разной емкости в любых сочетаниях.
Запоминающее ядро микросхем имеет многобанковую организацию — 64-мегабитные микросхемы имеют 8 банков, 256-мегабитные — 32 банка. Каждый банк имеет собственные усилители считывания, благодаря чему в микросхеме может быть активировано несколько банков. Для сокращения числа усилителей применяют и их разделение (совместное использование) парой смежных байт, что накладывает ограничения на их совместную активацию (до активации банка его смежник должен быть заряжен). Разрядность ядра 16 байт — 128 или 144 (с контрольными разрядами) бит. Ядро работает на 1/8 частоты канала, взаимодействие с ядром осуществляется по внутренним сигналам RAS и CAS. В современных RDRAM применяются ячейки памяти с временем доступа 40–53 нс.
Канал RDRAM (Rambus Channel) представляет собой последовательно-параллельную шину. Такая организация позволяет ограничить количество линий интерфейса, что, в свою очередь, позволяет упорядочить разводку проводников ради повышения частоты передачи сигналов. Небольшое количество сигналов дает возможность выровнять задержки распространения сигналов по разным линиям и применить сверхбыстродействующие интерфейсные схемы. Тактовая частота канала — до 400 МГц, стробирование информации осуществляется по обоим фронтам синхросигнала. Таким образом, пропускная способность одной линии составляет 800 Мбит/с. Канал состоит из 30 основных линий с интерфейсом RSL (Rambus System Logic) и 4 вспомогательных линий КМОП, используемых для инициализации микросхем. Структура канала изображена на рис. 7.8. На канале может быть установлено до 32 микросхем, все микросхемы соединяются параллельно. Для того чтобы контроллер мог адресоваться к определенной микросхеме, каждой из них назначается уникальный адрес DEVID. Нумерация микросхем (Device Enumeration) осуществляется в процессе инициализации, который выполняется с использованием вспомогательного последовательного КМОП-интерфейса. Этот интерфейс имеет линии синхронизации SCK, команд CMD, данных SIO.
Рис. 7.8 . Память Direct RDRAM
Синхросигнал вводится в канал с «дальнего конца» и распространяется в сторону контроллера по линии СТМ (Clock To Master). По этому сигналу микросхемы памяти стробируют данные, посылаемые к контроллеру (при чтении). Дойдя до контроллера, синхросигнал выходит на линию CFM (Clock From Master) и идет по каналу до терминатора, установленного на конце. По этой линии синхронизируется информация, посылаемая от контроллера к микросхемам памяти. Микросхемы привязывают данные чтения к синхросигналу с помощью встроенных схем DLL (Delay Locked Loop) для автоподстройки задержки сигнала DQS относительно CLK.
Физический уровень интерфейса учитывает волновой характер процессов распространения сигналов в канале. Интерфейс RSL имеет малый размах сигнала: уровню логический 0 соответствует потенциал терминаторов VTERM = 1,8 В, лог. 1 — потенциал 1,0 В. Передатчики имеют выход типа «открытый сток N-МОП» и активны при передаче логической единицы. Передатчики управляют значением генерируемого тока с тем, чтобы обеспечить требуемый уровень сигнала (падение напряжения на сопротивлении терминатора). Уровень переключения приемника VREF = 1,4 В задается делителем напряжения VTERM. Сигнал синхронизации передается в дифференциальной форме по линиям СТМ, CTMN к контроллеру и по линиям CFM, CFMN от него. Дифференциальная форма снижает погрешность стробирования, вызванную смещением уровней сигналов.
Канал разделен на три независимые шины : 3-битная шина строк ROW[2:0], 5-битная шина колонок COL[4:0] и двухбайтная (2×9 бит) шина данных DQA[8:0] и DQB[8:0]. Дополнительный бит байта данных (имеется не у всех микросхем RDRAM) может использоваться для контроля достоверности. По каждой шине информация передается пакетами, занимающими 4 такта (8 интервалов) синхронизации (10 нс). Пакет содержит 8 элементов; пакет строк имеет емкость 24 бит, колонок — 40 бит и данных — 16 байт по 8 или 9 бит.
Высокая производительность шины управления (строк и колонок) позволяет отказаться от пакетных (в терминологии BEDO и SDRAM) передач и упростить протокол шины. Память может одновременно обслуживать до четырех транзакций на полной скорости передачи данных.
Транзакции чтения приведены на рис. 7.9, по виду они аналогичны транзакциям SDRAM с тем лишь отличием, что за время одного такта (SDRAM) передается пакет . Пакет ROW для второй транзакции пропущен, поскольку страницу оставили открытой. Транзакция чтения со стороны контроллера представляет собой петлю: он посылает пакеты ROWA и COLC, которые за некоторое время достигают целевой микросхемы и ею обрабатываются за время TCAC. Далее микросхема отвечает пакетом данных, которому для достижения контроллера также требуется некоторое время. Пакетам для путешествий к дальним микросхемам и от них требуется больше времени, чем для путешествий к ближним, и эта разница оказывается большей, чем длительность периода синхронизации. Для того чтобы контроллер получал ответ на транзакцию чтения от любой микросхемы через одно и то же число тактов, у микросхем памяти устанавливают разную задержку данных относительно пакетов COLC. Группы соседних микросхем, у которых программируется одинаковая задержка, называют доменами синхронизации . В канале может быть несколько доменов синхронизации.
Рис. 7.9 . Транзакции чтения RDRAM
Транзакции записи (рис. 7.10) являются однонаправленными и для них проблем синхронизации не возникает. В отличие от стандартных микросхем DRAM и SDRAM, где данные для записи передаются одновременно с адресом колонки, в RDRAM данные задерживают относительно пакета COLC на TCWD (несколько тактов). Эта задержка соответствует задержке между пакетами COLC и данными при чтении (на стороне контроллера). Задержка записи позволяет сократить вынужденные простои шины данных при переключении с записи на чтение (в SDRAM они равны CAS Latency и длятся 2–3 такта по 10 нс). Контроллер может посылать данные для записи уже в такте, следующим за последними данными предыдущей транзакции чтения. Однако если за записью следует чтение, то на шине данных будет вынужденная пауза в 1–5 тактов в зависимости от длины канала. За это время последние данные записи дойдут от контроллера до самой дальней микросхемы памяти.
Рис. 7.10 . Транзакции записи RDRAM
В микросхемах RDRAM применяется механизм отложенной , или буферированной , записи. Данные для записи (принятый пакет D) сначала помещаются в буфер, из которого несколько позже они выгружаются в усилители считывания-записи (sens amp) по явной команде выгрузки (retire) или автоматически. Буфер записи хранит сами данные, а также номер банка и адрес столбца (но не строки). Буферизация записи позволяет контроллеру посылать команду записи на TRTR раньше, чем этого требует параметр TRCD, что повышает коэффициент использования шины.
Конвейерное выполнение операций RDRAM обеспечивается многобанковой организацией с отдельными усилителями считывания. Пакеты команд по линиям ROW и COL могут идти сплошным потоком, при этом на шине может присутствовать до четырех транзакций. При произвольных обращениях увеличению производительности способствует большое количество банков, практически недостижимое в памяти SDRAM.
Регенерация осуществляется по команде, адресуемой к определенному банку одной или всех микросхем; за период регенерации эта команда должна выдаваться для всех банков.
Память RDRAM отличается высоким энергопотреблением. Средства управления энергопотреблением отключают питание неиспользуемых узлов, однако за 100-кратное снижение мощности в самом экономичном режиме приходится расплачиваться 250-кратным увеличением времени доступа. Микросхемы RDRAM требуют периодической (раз в 100 мс) подстройки выходного тока и термокалибровки; для этих целей имеются специальные команды. Во время подстройки тока микросхемы способны сообщать о своем перегреве.
Вспомогательная шина с сигналами SCK, CMD и SIO служит для обмена данными с управляющими регистрами и вывода микросхем из состояний пониженного потребления (PDN и NAP ). Информация по этой шине тоже передается пакетами.
Управляющие регистры хранят информацию об адресе микросхемы, управляют работой микросхемы в различных режимах, содержат счетчики регенерации для банков и строк, параметры настройки временных циклов. В них же можно прочитать информацию о конкретной микросхеме — организация, версия протокола и т. п. В составе управляющих есть и тестовые регистры.
Инициализация памяти включает определение наличия микросхем на шине, назначение им идентификаторов и программирование их параметров. После сброса микросхемы не имеют собственных адресов, а линии SIO0 и SIO1 у них соединены. В таком состоянии контроллер по шине CMD посылает широковещательную команду на разъединение линий, после чего для него по линии SIO оказывается доступной только ближайшая микросхема канала. Ей назначается адрес (SDEVID) и дается команда на соединение линий, в результате к контроллеру подключается вторая микросхема. Она будет пронумерована очередной командой, заставляющей все доступные ненумерованные микросхемы (то есть именно ее) принять указанный номер. Далее замыкаются ее линии SIO, и этот процесс продолжается до самой дальней микросхемы.
После завершения этого «переучета» включается нормальная синхронизация, и дается время для установления режима схем DLL. После двукратной активации и предварительного заряда каждого банка каждой микросхемы память готова к определению доменов синхронизации и назначению каждой микросхеме соответствующих параметров задержек. Также им должны быть присвоены идентификаторы в канале (DEVID), которые могут и не совпадать со значениями SDEVID (идентификатором на последовательной шине).
Обязательным «фирменным» компонентом ОЗУ на RDRAM является контроллер памяти . В его задачу входит обслуживание микросхем памяти, установленных в канале, по запросам, поступающим со стороны интерфейса системной шины компьютера. Часть контроллера, обращенная к каналу, инвариантна к архитектуре компьютера. Именно она «знает» протокол RDRAM и является продуктом фирмы Rambus. Контроллер RDRAM встраивается в чипсеты для процессоров P6 (например, 1820, 1840), Pentium 4 (1850 с 32-разрядным каналом, то есть уже под пары модулей RIMM) и других архитектурных линий.
В соответствии со спецификацией RDRAM в одном канале может быть до трех слотов под RIMM, и их интерфейсные линии соединяются змейкой. В слоты могут устанавливаться RIMM различной емкости (сейчас они выпускаются на 64, 96, 128 и 256 Мбайт). Однако пока что фирме Intel не удалось достичь устойчивой работы канала с тремя модулями и пришлось ограничиться двумя. Теперь в памяти появился новый элемент-пустышка Continuity module . Это как бы модуль RIMM, но без микросхем памяти, и нужен он для того, чтобы замыкать цепь канала Rambus. Такая «заглушка» должна устанавливаться во все слоты канала, не занятые под модули RIMM. Если используются не все слоты, то память выгоднее ставить ближе к контроллеру — она будет работать быстрее (см. выше).