CORTEX-A8裸机系列：第八章 DRAM介绍

第八章 DRAM介绍

1、DRAM引入

DRAM特性:

容量大，价格低，掉电易失性，随机读写，总线式访问。

DRAM都属于动态内存（相对于静态内存SRAM），都需要初始化才能使用，不像SRAM开机上电后就可以直接运行。

DRAM在系统中属于SOC外接设备。DRAM通过地址总线和数据总线接口（总线接口）与cpu通信。

2、x210-v3的DRAM芯片

开发板原理图上使用的是K4T1G164QQ，但实际开发板上用的是另一款N2TU161666-AC，不过两个是完全兼容的。

全球做DRAM的厂商不多，二线厂家做的产生参数都是向一线厂家（三星、kingston）看齐，目的是兼容一线厂家的设计，然后让在意成本的厂商选择它的内存芯片替代一线厂家的内存芯片。

DRAM的这个市场特征就导致了这个东西比较标准化，大部分时候细节参数官方（芯片原厂家）都提供一个参考值。

K4T1G164QQ：

K表示三星产品。

4表示是DRAM。

T表示产品号码（DDR2 SDRAM）。

1G表示容量（1Gb，以bit为单位，等于128MB，开发板上一共用了4片相同的内存，总容量是128*4=512MB）。

16表示单芯片是16位宽的。

4表示8bank。

Q表示SSTL_18(1.8V,1.8V)。

三星官方提供的数据手册上其实没有芯片相关的参数设置信息，都是芯片选型与外观封装方面的信息，选型是给产品经理来看的，封装和电压等信息是给硬件工程师看的。软件工程师最关注的是工作参数信息，而这些参数信息，官方会提供参考代码。

3、s5pv210的memory port

对于CPU，CPU是通过片上的memory port和外部的SDRAM芯片进行通信的。对于s5pv210，有专用的和SDRAM芯片通信的memory port。

3.1、memory port

210上面有3部分的memory port。

可以看出，对于memory port0，可以接SROM/NAND/ONENAND。对应是Xm0xxx的管脚。

对于memory port1、2，可以接DDR2，mDDR，mDDR2。对应Xm1xxxx,Xm2xxx的管脚。

3.2、DRMA0和DRAM1

210共有两个内存端口（就像是有两个内存插槽）。再结合查阅数据手册中内存映射部分，可知，两个内存端口分别叫DRAM0和DRAM1。

对于DRAM0，内存地址范围： 0x2000_0000 – 0x3fff_ffff。512MB大小

        对应原理图上的引脚是 xm1xxxx

对于DRAM1，内存地址范围： 0x4000_0000 – 0x7fff_ffff。1024MB大小。

        对应原理图上的引脚是 xm2xxxx

3.3、结论

1）整个210最多可以支持内存1.5GB。如果给210更多的内存，CPU是无法识别的。

2） 210最多支持1.5GB内存大小，但是实际的开发板不一定要这么多，比如x210开发板就只有512MB内存大小。连接方法是在DRAM0端口分布了256MB，在DRAM1端口分布了256MB。

3）由2可知，x210开发板上内存合法地址是：

0x2000_0000 – 0x2fff_ffff(256MB)

0x4000_0000 — 0x4fff_ffff(256MB)

当板子上DDR2初始化完成之后，这些地址都是可以使用的；如果使用了其他的地址，就会出现内存读取异常，就出现错误了。

4、X210-v3的DRAM的原理图

原理图上，地址线有14根，这个地址线的位宽是和DRAM芯片的数据手册对应的。

控制信号：

数据线32根，表示数据访问是以32位为单位访问的。

以上就是xm1的部分，还有xm2的部分，信号线是一样的。

5、DRAM结构

X210使用了4片内存（每片1GB，128MB）。每片内存的数据总线都是16位的。每两片使用一个DRAM区域。这样，就相当于一片256MB大小的32位DRAM芯片。

DRAM结构框图：

128Mb * 8 8指的是8个bank

输入BA0-BA2选择8个bank中的一个bank。

一个bank有128Mb，通过row address + column address的方式综合寻址。

Row address 14位。

Column 10位。

一共能寻址的范围是： 2的14次方 + 2的10次方 = 2的24次方，就是16MB内存，也就是128Mb内存，这个大小也就是一个bank的大小。所以8个bank，总大小就是16*8=128MB。

6、初始化DDR2

DDR初始化和SOC（准确的说是和SOC中的DDR控制器）有关，也和开发板使用的DDR芯片有关，和开发板设计时DDR的连接方式也有关。

初始化步骤，27步（s5pv210数据手册598）：

因为x210内存连接了两个，DRAM0控制器和DRAM1控制器，所以初始化需要两次，一次初始化DRAM0，一次初始化DRAM1。

7、DRAM控制器

CPU不会直接操作memory port去和外部的DRAM芯片通信，而是去操作CPU内部的DRAM控制器来和外部的DRAM芯片通信。

DRAM的作用，就是CPU和外部DRAM芯片的桥梁，使之能相互进行通信。CPU通过AXI总线，可以直接对DRAM的地址进行读取。而忽略掉DRAM的接口复杂的时序。

7.1、s5pv210的DRAM控制器

DRAM控制器使用SEC DDR PHY接口。

s5pv210拥有两个DRAM控制器，DRAM0,DRAM1。其中DRAM0最大支持512MB，DRAM1最大支持1GB。但是两个控制器如果同时使用的话，只能驱动同一类型的存储器。

DRAM的关键特性

◾兼容JEDEC DDR2，低功耗DDR和低功耗DDR2

◾使用SEC LPDDR2 PHY接口，支持高速存储设备

◾支持最大2个chip选择，每个chip为1/2/4/8 bank

◾支持128Mb，256Mb，512Mb，1Gb，2Gb，4Gb密度的存储设备

◾支持16/32位的数据位宽

◾优化的流水线，实现低latency

◾支持QoS策略，保证在某些应用下的低latency

◾先进的嵌入式调度程序

◾支持 chip/bank 交互和存储中断

◾支持AMBA的AXI

◾采用可变的低功耗策略，减少动态和静态电流

◾支持外部访问

◾支持bank选择预充电策略

框图：

从框图可以看出，控制器包括总线接口部分，调度程序部分，内存接口部分。

CPU如果写DRAM，会将写的请求（包括地址和数据）放入到AXI总线上。DRAM控制器接收到该AXI数据，通过内部的电路，将数据转化为DRAM的接口时序数据，通过PHY接口，将数据写入到外部的DRAM中。

CPU如果读DRAM，会将读的请求（地址）放入到AXI总线上。DRAM控制器接收到该AXI数据，通过内部的电路，将数据转化为DRAM的接口时序数据，通过PHY接口，将外部的DRAM数据读取到内部的read date fifo中，然后通过AXI总线发送回CPU。

7.2、DRAM初始化

初始化包括：

◾PHY DLL 初始化：设置PHY的DLL。

◾设置控制寄存器：设置DRAM控制器的参数，使DRAM控制器的参数与外部DRAM芯片的参数一致。

◾内存初始化：对外部的DRAM芯片进行初始化。对于内存初始化，参考JEDEC标准和存储设备的数据手册。有三种不同的存储设备，LPDDR,LPDDR2,DDR2。

7.3、AXI地址映射

控制器会映射AXI的地址信息映射到DRAM设备的地址，如片选，bank地址，row地址，col地址。这样，CPU就可以通过AXI直接对外部DRAM设备进行数据访问。

AXI的地址被分为AXI base地址和AXI offset地址。

AXI base地址决定存储设备的开始地址，AXI offset决定存储设备基于开始地址的偏移地址。而AXI的地址，由bank，row，col来组合而成。因为该组合不是唯一的，因此就存在多种映射关系。该映射关系由memconfig寄存器设置。

映射有两种，不过一般是使用线性映射：

1) 线性映射

2) 交错映射

s5pv210给出了外接DRAM的解决方案，我们一般会参考这些解决方案。

也有说明:

◾config.1：不大于4bank，并且row的地址不大于14bit

◾config.2：不大于4bank，并且row的地址不大于15bit

◾config.3：8bank，并且row的地址不大于14bit

◾config.4：8bank，并且row的地址不大于15bit

◾config.5：memory的类型是LPDDR2

对于不同的DRAM的bank和row地址，使用不用的解决方案。对于x210-v3开发板，使用的是8bank，14位的row地址，所以使用的是config.3方案。和原理图设计的一样。

当DRAM是8bank，CS1管脚复用为bank2，这个时候210相当于只有一个片选CS0。这样，DRAM控制器就只能控制一个chip了，通过CS0来控制，这个时候就要设置memcontrol寄存器的num_chip为0，表示外接的存储器是一片。这样，就不需要配置memconfig1寄存器了，因为用不到第二个片选CS1。

memconfigx（x=0，1）是chipx的配置寄存器。每个DMC都有该寄存器。而且是两个，表示针对片选0和片选1。

对于地址映射：

210可以控制内存地址映射，DMC0的地址空间是0x2000_0000 – 0x3fff_ffff。DMC1的地址空间为0x4000_0000 – 0x7fff_ffff。DMC可以通过配置寄存器Memconfig寄存器来使内存芯片映射到内存段内的适当位置。

如果设置chip_base为0x20。也就表示为DRAM的起始地址是0x2000_0000。

1) 挂载的内存为128M，chip_mask应该设置为0xf8。表示DRAM的地址为0x2000_000-0x27ff_ffff，该chip选中。

2) 挂载的内存为256M，chip_mask应该设置为0xf0。表示DRAM的地址为0x2000_000-0x2fff_ffff，该chip选中。

3) 挂载的内存为512M，chip_mask应该设置为0xe0。表示DRAM的地址为0x2000_000-0x3fff_ffff，该chip选中。

以DMC0为例，当DMC0接收到来自AXI的0x2000_0000 – 0x3fff_ffff内的地址时，会做如下处理：

1) 将AXI的高8位地址和chip_mask相与得到结果，记为X

2) 将X分别于memconfig0和memconfig1的chip_base相比较，如果相等，则打开对应的片选。

假如挂载的内存大小是128M，且CS0和CS1分别挂了一片，那么128M = 128 1024 1024，则128M内存的地址范围是0x0000_0000 – 0x07ff_ffff。高位剩余5位。那么，把memconfig0的chip_base设置为0x20，chip_mask设置为0xf8。可以保证AXI的地址是0x2000_0000 – 0x27ff_ffff，这些地址与chip_mask后与，结果是0x20，与memconfig0的chip_base一致，说明访问chip0，于是chip0的片选就会有有效。

为了保持内存连续，需要将memconfig1的chip_base设置为0x28，chip_mask设置为0xf8。

这样，当AXI的地址发来是0x23xx_xxxx， 0x23 & 0xf8 = 0x20, 和memconfig0的chip_base一样，而0x23 & 0xf8 = 0x20，和memconfig1的chip_base不一样，所以会打开片选0。当AXI的地址发来是0x28xx_xxxx，0x28 & 0xf8 = 0xf8，与memconfig1的chip_base一样，与memconfig0的chip_base不一样，所以会打开片选1。而此时，地址空间就连续了起来。

当使用的DRAM是8bank时，CS1会被复用成bank2。所以这个时候只有一个chip信号CS0有效，就不需要配置CS1的寄存器memconfig1。不过要将memcontrol寄存器的num_chip为0，表示外接的存储器是一片。