DDR 学习时间 (Part B - 1)：DRAM 刷新 - 极术社区 - 连接开发者与智能计算生态

转载自：知乎
作者：ljgibbs

本期我们基于 JESD-79 学习 DDR 的刷新及其刷新命令。

Refresh，刷新是 DRAM 的一项重要特性，又被称为动态刷新（Dynamic refresh），而 Dynamic 就是 DRAM 中的 'D' 所代表的意思。DRAM 刷新与其结构息息相关。

本系列连载于 OpenIC SIG，除了 DDR 学习时间专栏外，OICSIG 目前正在陆续上线 HDLBits 中文导学的优化版本，欢迎关注/支持/加入我们

DDR 学习时间 - OpenIC SIG 开源数字IC技术分享

在 DDR 学习时间专栏中，目前有两个 Part：

Part-A DRAM 课程、论文以及其他在线资源的学习
Part-B 基于 DDR4 Spec 的 DDR 特性学习

DRAM 基本结构

我们知道 DRAM 使用电容 充电/未充电 两个状态来分别表示二进制的 1/0 符号。

拿小学数学题中的常客——水池来打比方，电容是一个水池，晶体管是这个水池的阀门。

小明是一个记忆只有 7 秒的熊孩子，数字他统共就认识两个： 0 和 1。每次需要记下一个数字时，如果是 1 小明就用水装满池子( 1'b1 )，如果是 0 就把水全部放走（ 1‘b0 ）。非常不爱惜水资源，大家不要学他。

单个 DRAM 基本单元由一个电容和一个晶体管构成，称为 1-T 结构，请注意图中右边出现的第二个电容 CBL 并不是有意制造在存储单元中的，它其实是控制线 BL 的寄生电容。

相较于由 6 个或者更多晶体管组成的 SRAM， DRAM 具有结构简单的优点。简单的结构能够降低制造难度和提高良率，说中文就是：更便宜！

但是，命运馈赠的礼物，都早已在暗中标好了价格，DRAM 也不例外。单个电容和晶体管的简单结构有一个棘手的问题：漏电流。

不紧的阀门：漏电流

小明の记忆水池工作的关键在于有一个紧密不漏水的阀门。如果水池阀门漏水，那么小明面对一个干涸水池的时候，他是懵逼的：到底是本来没水（ 1‘b0 ），还是本来有水但是全流光了( 1'b1 )？

不幸的是， DRAM 中的晶体管就是一个漏水的阀门。

由于制作工艺的影响，或者说这个世界上原本就不存在完美的晶体管，能够一丝不苟地实现开关功能，保证关断时没有电流流过。这些在关断时流过的电流称为漏电流，leakage current。

在没有任何 DRAM 操作的情况下，漏电流也会导致电容上的电荷随着时间流失。当电荷数量低于阈值时，DRAM 将无法正确地读取所存储的 1/0 数据。此时，数据就被没了（corrupt the data）。

DRAM 刷新

为了防止数据被破坏，为了使 DRAM 这一更廉价的存储介质可以得到普及，DRAM 设计中加入了动态刷新机制。

DRAM 刷新过程中，首先读取原本的数据，将电容的电平与参考电平进行比较，判断数据的 1/0 值后，再将原数据写回。写回的过程中将电容完全充满电荷（如果数据为 1），好比进行了一次充电操作。

DRAM 刷新每间隔一段时间进行一次，对随时间流失的电荷进行补充。

间隔的时间不能太长，间隔太长可能导致刷新时数据电平已经无法辨认。但间隔的时间也不能太短，因为充电期间不能进行正常的读写，过于频繁的刷新会导致 DRAM 的吞吐性能下降。

一般来说，间隔时间的下限由 DRAM 本身的属性决定，比如 DRAM 的容量密度、运行频率等。而间隔时间上限则由性能吞吐的需求决定。

DRAM 刷新命令

DRAM 刷新由控制器 (MC) 和 DRAM 颗粒内部电路共同实现。 MC 以发送刷新命令的方式通知 DRAM 颗粒进行刷新；DRAM 颗粒内部电路则负责进行刷新操作。这里我们重点来看 MC 侧的刷新命令发送部分。

刷新命令，Refresh Command，DRAM 命令代号为 REF。表示 REF 的 DRAM bus 信号真值表为：

如果你是第一次看到这张经典的 DRAM 命令真值表，那正好借此机会介绍一番：

H、L 标识的信号在该 DRAM 命令中必须为高或者低电平；
X，V 标识的信号在该命令中都不起任何作用，可以为任何值。区别在于 V 表示信号可以为高电平或者低电平。X 更近一步，信号还可以为悬空值（float）。
用 OP Code 等具体名称标识的信号是命令的一部分，它们的值用于表示命令的某个字段的值；

比如发送 REF 命令时，CS\_n 必须为低电平，ACT\_n 信号必须为高电平。而 Ax 地址信号可以为高，也可以为低电平。