DDRx寻址原理

DDR4-DRAM的工作原理

一颗DDR4芯片的内部功能框图如下：

其引脚按照功能可以分为7类：前3类为电源、地、配置信号。

后4类为：控制信号、时钟信号、地址信号、数据信号。

电源、地、配置信号的功能很简单，此处不赘述。控制信号主要是用来完成DDR4与DDR4 Controller之间的状态切换。

DDR4中最重要的信号就是地址信号和数据信号。

如上DDR4芯片有20根地址线（17根Address、2根BA、1根BG），16根数据线。在搞清楚这些信号线的作用以及地址信号为何还有复用功能之前，我们先抛出1个问题。假如我们用20根地址线，16根数据线，设计一款DDR，我们能设计出的DDR寻址容量有多大？

按照课本中学到的最简单的单线8421编码寻址的方式，我们知道20根地址线（连读写控制信号都不考虑了）的寻址空间为2^20，16根数据线可以1次传输16位数据，我们能很容易计算出，如果按照单线8421编码寻址方式，DDR芯片的最大存储容量为：

Size_max=2^20)16=104857616=16777216bit=2097152B=2048KB=2MB。

但是事实上，该DDR最大容量可以做到1GB，比传统的单线编码寻址容量大了整整512倍，它是如何做到的呢？答案很简单，分时复用。

我们把DDR存储空间可以设计成如下样式：

首先将DDR芯片的存储空间分成两个大块，分别为BANK GROUP0和BANK GROUP1，再用1根地址线（还剩19根），命名为BG，进行编码。若BG拉高选择BANK GROUP0，拉低选择BANK GROUP1。（当然你也可以划分成4个大块，用2根线进行编码）

再将1个BANK GROUP区域分成4个BANK小区域，分别命名为BANK0、BANK1、BANK2、BANK3。然后我们挑出2根地址线（还剩余17根）命名为BA0和BA1，为4个小BANK进行地址编码。

此时，我们将DDR内存颗粒划分成了2个BANK GROUP，每个BANK GROUP又分成了4个BANK，共8个BANK区域，分配了3根地址线，分别命名为BG0，BA0，BA1。然后我们还剩余17根信号线，每个BANK又该怎么设计呢？这时候，就要用到分时复用的设计理念了。剩下的17根线，第一次用来表示行地址，第二次用来表示列地址。

原本传输1次地址，就传输1次数据，寻址范围最多16KB（不要读写信号）。

现在修改为传输2次地址，在传输1次数据，寻址范围最多被扩展为2GB。虽然数据传输速度降低了一半，但是存储空间被扩展了很多倍。

所以，剩下的17根地址线，留1根用来表示传输地址是否为行地址。

在第1次传输时，行地址选择使能，剩下16根地址线，可以表示行地址范围，可以轻松算出行地址范围为2^16=65536个=64K个。

在第2次传输时，行地址选择禁用，剩下16根地址线，留10根列地址线表示列地址范围，可以轻松表示的列地址范围为2^10=1024个=1K个，剩下6根用来表示读写状态/刷新状态/行使能、等等复用功能。

这样，我们可以把1个BANK划分成67108864个=64M个地址。如下所示：

在每个地址空间中，我们一次存储16位数据。

所以，每个BANK可以分成65536行，每行1024列，每个地址空间存储的数据长度为16bit。

每行可以存储1024*16bit=2048bit=2KB。每行的存储的容量，称为Page Size。

单个BANK共65536行，所以每个BANK存储容量为65536*2KB=128MB。

单个BANK GROUP共4个BANK，每个BANK GROUP存储容量为512MB。

单个DDR4芯片有2个BANK GROUP，故单个DDR4芯片的存储容量为1024MB=1GB。

至此，20根地址线和16根数据线全部分配完成，我们用正向设计的思维方式，为大家讲解了DDR4的存储原理以及接口定义和寻址方式。

参考原文：《DDR4实战教学（一）：DDR寻址原理小白篇》