DDR介绍及设计要求详解1

DDR采用TSSOP封装技术，而DDR2和DDR3内存均采用FBGA封装技术。TSSOP封装的外形尺寸较大，呈长方形，其优点是成本低、工艺要求不高，缺点是传导效果差，容易受干扰，散热不理想，而FBGA内存颗粒精致小巧，体积大约只有DDR内存颗粒的三分之一，有效地缩短信号传输距离，在抗干扰、散热等方面更有优势，而DDR4采用3DS(3-Dimensional Stack)三维堆叠技术来增大单颗芯片容量，封装外形则与DDR2、DDR3差别不大。在我们的设计用到的内存颗粒有SRAM、DRAM、EEPROM、Flash等，其中DDR系列用的是最多的，其DDR-DDR4的详细参数如下：

随着制造工艺不断提高，从DDR到DDR2再到DDR3内存，其制造工艺都在不断改善，更高工艺水平会使内存电气性能更好，成本更低；DDR内存颗粒广泛采用0.13微米制造工艺，而DDR2采用了0.09微米制造工艺，DDR3则采用了全新65nm制造工艺，而DDR4使用20nm以下的工艺来制造，从DDR～DDR4的具体参数如下表所示

MemoryType

DDR

DDR2

DDR3

DDR4

核心频率（MHz）

133-200

133-200

133-200

133-200

时钟频率（MHz）

133-200

266-400

533-800

1066-1600

预读数

2n

4n

8n

8n

数据传输速率（MT/s）

266-400

533-800

1066-1600

2133-3200

带宽（GB/s）

2.1-3.1

4.2-6.4

8.5-14.9

17-21.3

工作电压(V)

2.5/2.6

1.8

1.35/1.5

1.2

最大功耗

418mW

318mW

通常工作电压

2.5V

1.8V

1.5V

1.2V

移动计算低压标准

\

1.2V（LPDDR2）

1.2V（LPDDR3）

1.1V（LPDDR4）

笔记本电脑低压标准

\

\

1.35V（DDR3L）

1.05V（DDR4L）

接口标准

SSTL_2(2.5V)

SSTL_1.8(1.8V)

SSTL_1.5(1.5V)

POD12(1.2V)

VTT电压

1.25V

0.9V

0.75V

0.6V

VREF电压

1.25V

0.9V

0.75V

0.6V

时钟地址控制布线

“T”型

“T”型

“Fly-by”型

“Fly-by”型

DQS选通信号

单端

单端/差分

差分

差分

时钟信号

单端/差分

单端/差分

差分

差分

ODT信号

无

有

有

有

WriteLeveling

无

无

有

有

DBI（降低功耗并提升SI）

无

无

无

有

时钟频率（MHz）

100/133/166/200

200/266/333/400

400/533/667/800

800/933/1066/1200

数据传输率(Mbps)

200/266/333/400

400/533/667/800

800/1066/1333/1600-2133

1600/1866/2133/2400-3200

容量标准

64M～1G

256M～4G

512M～8G

2G～16G

封装形式

TSOP

FBGA

FBGA

FBGA（堆叠引脚）

预取设计(Bit)

2

4

8

16

“Burst”突发长度

2/4/8

4/8

8

8

逻辑BANK数量

2/4

4/8

8/16

16/32

CL值

1.5、2.5、3.5、3

3、4、5、6

5、6、7、8、9、10、11

AL值

无

0、1、2、3、4

0、CL-1、CL-2

驱动校准

Off-Chip(OCD)

On-ChipwithZQpin(ZQcal)

新增特性

ODT、OCDCalibration、PostedCAS，AL

CWD、Reset、ZQ、SRT、PASR

SDRAM介绍：SDRAM是SynchronousDynamicRandomAccessMemory（同步动态随机存储器）的简称，是使用很广泛的一种存储器，一般应用在200MHz以下，常用在33MHz、90MHz、100MHz、125MHz、133MHz等。其中同步是指时钟频率与SDRAM控制器如CPU前端其时钟频率与CPU前端总线的系统时钟频率相同，并且内部命令的发送和数据的传输都以它为准；动态是指存储阵列需要不断刷新来保证数据不丢失；随机是指数据不是线性一次存储，而是自由指定地址进行数据的读写。为了配合SDRAM控制芯片的总线位宽，必须配合适当数量的SDRAM芯片颗粒，如32位的CPU芯片，如果用位宽16bit的SDRAM芯片就需要2片，而位宽8bit的SDRAM芯片则就需要4片。

DDR SDRAM全称为Double Data Rate SDRAM，中文名为“双倍数据率SDRAM”，是在SDRAM的基础上改进而来，人们习惯称为DDR，DDR本质上不需要提高时钟频率就能加倍提高SDRAM的数据传输速率，它允许在时钟的上升沿和下降沿读取数据，因而其速度是标准SDRAM的两倍。

CLK是由系统时钟驱动的，SDRAM所有的输入信号都是在CLK的上升沿采样，CLK还用于触发内部计数器和输出寄存器；

CK/CK#是DDR的全局时钟，DDR的所有命令信号，地址信号都是以CK/CK#为时序参考的。

CKE为时钟使能信号，与SDRAM不同的是，在进行读写操作时CKE要保持为高电平，当CKE由高电平变为低电平时，器件进入断电模式（所有BANK都没有激活时）或自刷新模式（部分BANK激活时），当CKE由低电平变为高电平时，器件从断电模式或自刷新模式中退出。

CS#为片选信号，低电平有效。当CS#为高时器件内部的命令解码将不工作。同时，CS#也是命令信号的一部分。

RAS#、CAS#、WE#分别为行选择、列选择、写使能信号，低电平有效。这三个信号与CS#一起组成了DDR的命令信号。

LDM、UDM为数据掩码信号。写数据时，当DM为高电平时对应的写入数据无效。LDM与UDM分别对应与数据信号的低8位与高8位。

A为地址总线信号。在读写命令时行列地址都由该总线输入。

BA0、BA1为BANK地址信号，用以确定当前的命令操作对哪个BANK有效。

DQ为数据总线信号。读写操作时的数据信号通过该总线输出或输入。

LDQS、UDQS为数据锁存信号，双沿有效。写数据时输入，读数据时输出。写数据时信号沿与数据中心对齐，读数据时信号沿与数据边沿对齐；LDQS与UDQS分别对应与数据信号的低8位与高8位。

VREF为SDRAM内部进行高低电平判决的参考电压。

从各版本DDR的性能来看SDRAM从发展到现在已经历经了六代，其分别是：

第一代SDRSDRAM，单边沿传输数据.

第二代DDRSDRAM,允许在时钟脉冲的上升沿和下降沿传输采样数据.

第三代DDR2SDRAM，拥有两倍与DDR1内存的预读取能力（即4bit数据预读取能力）.

第四代DDR3SDRAM，具备更低的工作电压（1.5V），240线接口，支持8bit预读取.

第五代DDR4SDRAM,16bit预读取机制，同样核心频率下理论速度是DDR3的两倍.

第六代DDR5SDRAM32bit预读取机制，更低的工作电压（1.1v）。

DDR的数据信号与地址\控制信号是参考不同的时钟信号，数据信号参考DQS选通信号，地址\控制信号参考CK\CK#差分时钟信号；而SDRAM信号的数据、地址、控制信号是参考同一个时钟信号。

数据信号参考的时钟信号即DQS信号是上升沿和下降沿都有效，即DQS信号的上升沿和下降沿都可以触发和锁存数据，而SDRAM的时钟信号只有在上升沿有效，相对而言DDR的数据速率翻倍。

DDR的数据信号通常分成几组，如每8位数据信号加一位选通信号DQS组成一组，同一组的数据信号参考相同组里的选通信号。

DDR2新增功能与DDR1的不同之处

新增功能：

ODT（On-DieTermination）即芯片内部匹配终结。

OCD(OffChipDriver)是加强上下拉驱动的控制功能，通过减小DQS与/DQS(DQS是数据Strobe，源同步时钟，数据的1和0由DQS作为时钟来判断)Skew(时滞)来增加信号的时序容限。

不同之处：

选通信号（DataStrobe）DQS采用了差分信号。

封装方面DDR采用TSOP封装，而DDRII采用FBGA封装

ODT技术使得DDRII的拓扑结构较DDR简单，布局布线也相对较容易一些。

DDR3新增功能与DDR2的不同之处

1，DDR3是相较于DDR2SDRAM具有更高的运行效能与更低的电压。

新增功能：

CWD是作为写入延迟之用。

Reset提供了超省电功能的命令，可以让DDR3SDRAM内存颗粒电路停止运作、进入超省电待命模式。

ZQ则是一个新增的终端电阻校准功能，用来校准ODT内部终端电阻。

SRT（可编程化温度控制内存时脉功能）让内存颗粒在温度、时脉和电源管理上进行优化。

PASR（PartialArraySelf-Refresh）局部Bank刷新的功能，可以说针对整个内存Bank做更有效的资料读写以达到省电功效。

参考电压分成两个：在DDR3系统中，对于内存系统工作非常重要的参考电压信号VREF将分为两个信号，即为命令与地址信号服务的VREFCA和为数据总线服务的VREFDQ，这将有效地提高系统数据总线的信噪等级。

点对点连接（Point-to-Point，P2P）：这是为了提高系统性能而进行的重要改动，也是DDR3与DDR2的一个关键区别。在DDR3系统中，一个内存控制器只与一个内存通道打交道，而且这个内存通道只能有一个插槽，因此，内存控制器与DDR3内存模组之间是点对点（P2P）的关系（单物理Bank的模组），或者是点对双点（Point-to-two-Point，P22P）的关系（双物理Bank的模组），从而大大地减轻了地址/命令/控制与数据总线的负载。

DDR颗粒基本原理及个版本的差异及相似现针对DDR设计要求进行说明。

通用设计要求

当使用多片DDR芯片时布局首先要确认芯片是否支持FLY-BY走线拓扑结构，来确定我们是否采用T拓扑结构还是FLY-BY拓扑结构。如果是T拓扑结构时，上拉电阻放在T点处，如果使用FLY-BY拓扑,则把上拉电阻放在最后一片芯片的后端。上拉电阻的走线长度要小于500Mil。

电源走线有足够的通流能力：如果电源的走线宽度不足，则当DDR3芯片所需的电流超过电源走线的通流能力时,会因驱动能力不足导致信号幅度不能达到接口规范的要求,并进而导致对信号处理的错误。

确保回流路径的连续性：DDR3的信号走线必须以可靠的电源或地平面作为参考,不能跨越参考平面更不能没有参考平面，以保证信号能够以最短路径回流。此外,为了确保返回电路的低阻抗，DDR信号最好在相邻平面为地的信号平面上走线，如果不能保证所有的信号线都满足此要求，至少要保证数据和时钟走线。

避免在参考平面边缘走线：当DDR3信号的走线靠近参考平面的边缘时，保证走线与参考平面的边缘≥40Mil的间距。

避免换层走线以减少过孔的数量：由于DDR3的工作频率很高，时钟和数据信号速率一般都会达到400MHz以上，为了避免过孔的寄生电容和电感对信号质量的影响，需要通过控制换层的次数严格控制时钟线上过孔的数量。

保持信号线间距：当两个不同信号线之间距离过近时，会因电磁场的耦合导致串扰的产生。为了降低这种串扰，需要在不同信号线之间保持大于3倍走线宽度的间距，不要在反焊盘上走线。

电源设计要求

VTT电源孤岛尽可能靠近内存颗粒以及终端调节模块放置：由于很难在电源平面中单独为VTT电源划出一个完整的电源平面，因此一般的VTT电源都在PCB的信号层通过大面积铺铜划出一个电源孤岛作为VTT电源平面。VTT电源需要靠近产生该电源的终端调节模块以及消耗电流的DDR颗粒放置，通过减少走线的长度一方面避免因走线导致的电压跌落，另一方面避免各种噪声以及干扰信号通过走线耦合入电源。

终端调节模块的Sense引脚走线需要从VTT电源孤岛的中间引出：终端调节模块一般都有一个Sense引脚用于跟踪输出电压的变化，并根据变化进行动态调节。由于电源孤岛的面积比较大，电源孤岛上各处的电压也不尽相同，为了能够反映整体的电压水平即电源孤岛上电压的平均值，Sense管脚的走线需要从VTT电源孤岛的中间处引出。

降低Vref上的噪声：Vref上的噪声会增加数据选通和数据信号之间的skew并且降低电压裕度。为了降低这些噪声的干扰，需要加大Vref的走线宽度并且将Vref的走线与其它走线隔离。虽然Vref上的电流一般只有2mA左右，但是为了上述原因，一般需要保证其走线宽度不小于25Mil，同时Vref与其它信号线之间保持25Mil的距离。此外Vref要避免电源噪声的影响，Vref走线时应该以地平面作为参考平面。

不同信号线间走线长度的匹配

由于需要通过DQS信号对DQ进行采样，通过时钟信号对地址/控制信号进行采样，因此需要保证这些信号线间长度的匹配。

换层及过孔数量的控制

由于抑制过孔的寄生电容和电感对高速信号质量的影响。

信号线阻抗要求

通过控制信号线阻抗达到阻抗匹配、提高信号完整性的目的。

抑制信号线间干扰

通过加大不同信号线间的距离达到抑制信号线间干扰的目的。

信号走线设计要求

走线要求

时钟线

数据信号

地址/命令/控制信号

单端走线长度要求

1、同一组DQ信号线之间的长度差≤10Mil；

2、每组DQ信号线与其对应的DQS信号线的走线长度差≤10Mil以内；

3、不同组的数据线，误差≤100Mil；

以时钟为参考，走线长度与时钟信号的长度差≤100Mil；

差分走线长度要求

差分时钟线长度对内差≤5mil；

差分线内两根线间距保持一致，差分时钟线长度差保持在5mil以内，不同差分信号线对之间的长度差≤100mil；

换层及过孔

一段走线内过孔不超过两个；过孔相邻处加旁路电容或地过孔；

走线上过孔不超过两个

信号线阻抗匹配

差分阻抗75–100Ω，参考平面完整；

单端信号线阻抗可以控制在40-50Ω之间，参考平面完整；

2、差分阻抗75–10Ω,参考平面完整；

单端信号线阻抗可以控制在40-50Ω之间，参考平面完整；

信号间干扰抑制

与其它信号线保持4W以上；

同组信号线3W以上,不同组之间4W以上。

同组信号线3W以上,不同组之间4W以上。

其它要求

从第一片到最后一片DDR3颗粒之间的走线长度≤6000Mil；

1、按照数据线从低至高的顺序从第一片至最后一片颗粒进行布线，并且端接电阻放置在最后一片DDR颗粒之后；

2、从第一片到最后一片DDR3颗粒之间的走线长度≤6000Mil；

以上为针对DDR3一般性走线要求，可作为一般性参考。如使用DDR芯片有其自有要求则以芯片手册为准。

其他类型DDR走线等长，布局布线等要求可针对DDR3颗粒进行相对的调整，如果是DDR2等其他上代版本颗粒可相对DDR3的要求进行放宽，相对的DDR4等更先进颗粒可针对DDR3布局布线要求进行更加严格的把控，且每个颗粒厂商的要求不一致，在针对DDR颗粒进行布局布线时应严格按照芯片手册要求进行设计。

下图是DDR3与DDR4颗粒的走线的一个比较，各位设计人员可根据实际设计需求进行修改。

DDR3

DDR4

数据信号线

1，同组DQ与DQS等长保持在100mil内；

2，DQS差分线对内等长5mil内；

3，同组的DQ等长保持在30mil内；

1，同组DQ与DQS等长保持在50mil内

2，DQS差分线对内等长5mil内；

3，同组的DQ等长保持在10mil内；

时钟信号线

CLK差分线对内等长保持在5mil内；

CLK差分线对内等长保持在5mil内；

地址，命令，控制信号线

地址，控制，命令参考CLK等长保持在200mil内

地址，控制，命令参考CLK等长保持在100mil内

例，下图为核心板LPDDR4颗粒等长规则设置：

从上图设计规则可看出，针对DDR4颗粒的等长，差分，阻抗设计要求和DDR3颗粒的设置是相类似的，因为他们都遵循DDR颗粒的设计原理，只是DDR4颗粒在等长等的设置要求上相较于DDR3版本来说会更加严格。