以下文章來(lái)源于郝旭帥電子設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，作者郝旭帥

本篇主要是SDRAM有效帶寬解析與估算

在進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，我們經(jīng)常會(huì)用到SDRAM(SDR SDRAM或者DDRX SDRAM)作為緩沖單元，但是如何評(píng)估SDRAM的有效帶寬呢(評(píng)估有效帶寬才能夠了解當(dāng)前緩沖單元以及驅(qū)動(dòng)方式能否滿(mǎn)足我們的設(shè)計(jì)需求)?

SDRAM的“有效帶寬”指的是在實(shí)際系統(tǒng)中，扣除所有必要開(kāi)銷(xiāo)后，能夠用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)際可用帶寬。它總是顯著低于理論峰值帶寬。

理論帶寬

公式：

理論峰值帶寬 = (時(shí)鐘頻率 × 數(shù)據(jù)總線位寬 × 數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)(每個(gè)時(shí)鐘周期傳輸?shù)腷it數(shù)：SDR為1，DDR為2)) / 8

單位通常是 字節(jié)/秒(B/s) 或 GB/s。

舉例：

一片 DDR3-1600，位寬為 16位(2字節(jié));

核心時(shí)鐘頻率：800 MHz

數(shù)據(jù)傳輸率(DRAM Frequency)：1600 MT/s(每秒百萬(wàn)次傳輸)

理論峰值帶寬 = 800 × 10? × 2 x 16 /2 Bytes = 3200 MB/s = 3.2 GB/s

這個(gè)值通常被芯片廠商和市場(chǎng)宣傳所使用。

有效帶寬

SDRAM在進(jìn)行通信時(shí)，是無(wú)法每個(gè)時(shí)鐘周期都用于進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的。

一次完整的訪問(wèn)通常包含三步：

激活(Activate)： 將指定Bank的指定Row數(shù)據(jù)送到該Bank的“行緩沖器”。此操作功耗較高，延遲較大。

讀/寫(xiě)(Read/Write)： 在行緩沖器中，根據(jù)列地址進(jìn)行精細(xì)的讀或?qū)懖僮鳌？梢赃B續(xù)進(jìn)行多個(gè)讀/寫(xiě)(突發(fā)傳輸)。

預(yù)充電(Precharge)： 操作完成后，必須將行緩沖器的數(shù)據(jù)寫(xiě)回原Row，并關(guān)閉該行，為激活新的行做準(zhǔn)備。

下面以SDR SDRAM為例：

在上述時(shí)序中可以清楚的看到：為了將四個(gè)數(shù)據(jù)寫(xiě)入到SDRAM中使用了九個(gè)周期(包括了激活、寫(xiě)入、關(guān)閉等)。

那么也就是說(shuō)：有效帶寬只是理論帶寬的一半不到(4/9).

下面給出DDR3的波形圖：

與SDR SDRAM類(lèi)似。

SDRAM在工作時(shí)，還需要定時(shí)進(jìn)行刷新操作以避免數(shù)據(jù)丟失。所以有效帶寬就會(huì)更低。

提高有效帶寬的幾種方式

在此只是根據(jù)單個(gè)芯片進(jìn)行說(shuō)明(關(guān)于多芯片擴(kuò)位寬以及RANK，在此不再說(shuō)明)。

1. 增大突發(fā)長(zhǎng)度

在每次突發(fā)讀寫(xiě)中，無(wú)論突發(fā)長(zhǎng)度為多少，前面的激活和后面的預(yù)充電所占用的時(shí)間是相同的。

例：激活4+讀寫(xiě)4+預(yù)充電4：那么有效帶寬為三分之一;如果激活4+讀寫(xiě)8+預(yù)充電4：那么有效帶寬為二分之一。

說(shuō)明：在SDR SDRAM中經(jīng)常采用此方法進(jìn)行提高有效帶寬(可以利用頁(yè)突發(fā)，幾乎可以達(dá)到百分之百)。在DDRX SDRAM中取消了頁(yè)突發(fā)，并且突發(fā)長(zhǎng)度一般固定，所以此方法在DDRX SDRAM中失效。

2. 連續(xù)突發(fā)訪問(wèn)

在SDRAM中，如果第一次操作和第二次操作處于同一個(gè)bank的同一行，那么第一次操作可以不用關(guān)閉，第二次操作可以不用打開(kāi)(節(jié)省了一次關(guān)閉，一次激活)。

以SDR SDRAM的寫(xiě)入為例：

第一次寫(xiě)入沒(méi)有關(guān)閉，第二次寫(xiě)入沒(méi)有激活。

在電子設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)，如果采用的是DDRX SDRAM，一般主控芯片會(huì)有IP 控制器，不用我們直接操作DDRX SDRAM。在配置時(shí)，注意一個(gè)選項(xiàng)：命令的順序。

建議選擇可以?xún)?yōu)化(重新排列序號(hào))。

例：第一次操作N行，第二次操作M行，第三次操作N行。因?yàn)榈谝淮魏偷诙翁幱诓煌校缘谝淮侮P(guān)閉了以后才可以激活第二次操作(完成上述操作需要三次激活、三次操作、三次關(guān)閉)。如果我們可以將第三次操作和第二次操作對(duì)調(diào)執(zhí)行順序，那么只需要兩次激活、三次操作、兩次關(guān)閉。

操作的數(shù)據(jù)量沒(méi)有改變，但是縮短了需要的時(shí)間。

3. 改變地址映射

在SDRAM中，如果第一次操作和第二次操作處于不同bank時(shí)，那么可以利用第一次操作關(guān)閉的時(shí)間來(lái)激活第二次操作。

以SDR SDRAM為例：

我們?cè)谑褂肧DRAM在進(jìn)行緩沖時(shí)，一般是使用連續(xù)的一塊地址(邏輯地址)，如果邏輯地址對(duì)應(yīng)的是：BANK ROW COL，那么將會(huì)出現(xiàn)用完ABANK的第一行，就會(huì)用ABANK的第二行(在同一個(gè)bank中，無(wú)法實(shí)現(xiàn)第一次操作的關(guān)閉和第二次操作的激活利用同一段時(shí)間)。如果邏輯地址對(duì)應(yīng)的是：ROW BANK COL，那么將會(huì)出現(xiàn)用完ABANK的第一行，就會(huì)用BBANK的第一行(此時(shí)第一次操作的關(guān)閉和第二次操作的激活利用的是同一段時(shí)間)。

評(píng)估有效帶寬

當(dāng)設(shè)計(jì)完控制器(IP控制器或自己設(shè)計(jì)控制器)后，可以自己寫(xiě)一些邏輯進(jìn)行測(cè)試有效帶寬。

例：統(tǒng)計(jì)一秒鐘能夠?qū)懭攵嗌僮止?jié)，統(tǒng)計(jì)一秒鐘能夠讀出多少字節(jié)。

說(shuō)明：

1. 有效帶寬和地址的改變規(guī)律有一定的關(guān)系。

2. 測(cè)量時(shí)，應(yīng)該保證最大限度的給予命令或命令(反例：控制器能夠五個(gè)周期寫(xiě)入一個(gè)數(shù)據(jù)，測(cè)量者10個(gè)周期才給與一個(gè)數(shù)據(jù))。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

務(wù)必保證有效帶寬在你的設(shè)計(jì)需求之上，否則項(xiàng)目就會(huì)出現(xiàn)崩盤(pán)。