DDR2内存详解——从原理到测试

zjhzboy

作为PC不可缺少的重要核心部件——内存，它伴随着DIY硬件走过了多年历程。从286时代的30pin SIMM内存、486时代的72pinSIMM 内存，到Pentium时代的EDO DRAM内存、PII时代的SDRAM内存，到P4时代的DDR内存和目前9X5、AM2平台的DDR2内存。内存从规格、技术、总线带宽等不断更新换代。不过我们有理由相信，内存的更新换代可谓万变不离其宗，目的在于提高内存的带宽，以满足CPU不断攀升的带宽要求、避免成为高速CPU的运算瓶颈。


随着CPU 性能不断提高，我们对内存性能的要求也逐步升级。不可否认，紧紧依靠高频率提升带宽的DDR已经力不从心，因此JEDEC 组织提出了DDR2 标准，加上LGA775接口的主板以及最新的965、AM2 940等新平台全面对DDR2内存的支持，所以DDR2内存已经步入了它的春天。。

DDR2（Double Data Rate 2） SDRAM是由JEDEC（电子设备工程联合委员会）进行开发的新生代内存技术标准，它与上一代DDR内存技术标准最大的不同就是，虽然同是采用了在时钟的上升/下降中同时进行数据传输的基本方式，但DDR2内存却拥有两倍于上一代DDR内存预读取能力（即：4bit数据读预取）。换句话说，DDR2内存每个时钟能够以4倍外部总线的速度读/写数据，并且能够以内部控制总线4倍的速度运行。


此外，由于DDR2标准规定所有DDR2内存均采用FBGA封装形式，而不同于目前广泛应用的TSOP/TSOP-II封装形式，FBGA封装可以提供了更为良好的电气性能与散热性，为DDR2内存的稳定工作与未来频率的发展提供了坚实的基础。而在DDR参数基础上加入了新的三项参数标准
我们首先来温习一下DDR内存参数标准
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（1）CAS(Column Address Strobe)Latency：列地址选通脉冲延迟时间，即DDR-RAM内存接收到一条数据读取指令后要延迟多少个时钟周期才执行该指令。这个参数越小，内存的反应速度越快，可以设置为2.0、2.5、3.0。
（2）Row-active delay（tRAS）：内存行地址选通延迟时间，供选择的数值有1～15，数值越大越慢。
（3）RAS-to-CAS delay（tRCD）：从内存行地址转到列地址的延迟时间。即从DDR-RAM行地址选通脉冲(RAS，RowAddress Strobe)信号转到列地址选通脉冲信号之间的延迟周期，也是从1～15可调节，越大越慢。
（4）Row-precharge delay（tRP）：内存行地址选通脉冲信号预充电时间。调节在刷新DDR-RAM之前，行地址选通脉冲信号预充电所需要的时钟周期，从1～7可调，越大越慢。
（5）物理Bank：内存与CPU之间的数据交换通过主板上的北桥芯片进行，内存总线的数据位宽等同于 CPU数据总线的位宽，这个位宽就称之为物理Bank（Physical Bank，简称P-Bank）的位宽。以目前主流的DDR系统为例，CPU与内存之间的接口位宽是64bit，也就意味着CPU在一个周期内会向内存发送或从内存读取64bit的数据，那么这一个64bit的数据集合就是一个内存条物理Bank。
（6）逻辑Bank ：在芯片的内部，内存的数据是以位（bit）为单位写入一张大的矩阵中，每个单元我们称为CELL，只要指定一个行（Row），再指定一个列（Column），就可以准确地定位到某个CELL，这就是内存芯片寻址的基本原理。这个阵列我们就称为内存芯片的BANK，也称之为逻辑 BANK（LogicalBANK）。由于工艺上的原因，这个阵列不可能做得太大，所以一般内存芯片中都是将内存容量分成几个阵列来制造，也就是说存在内存芯片中存在多个逻辑 BANK，随着芯片容量的不断增加，逻辑BANK数量也在不断增加，目前从32MB到1GB的芯片基本都是4个，只有早期的16Mbit和32Mbit的芯片采用的还是2个逻辑BANK的设计。
（7）位宽和带宽：内存的位宽是指内存在一个时钟周期内所能传送数据的位数，以bit为单位，位数越大则瞬间所能传输的数据量越大，这是内存的重要参数之一。内存的带宽是指内存在单位时间内的数据传输速率。
（8）内存频率：是指在默认情况下，内存正常工作时的额定运行频率，以MHz（兆赫兹）为单位。显存频率与显存时钟周期是相关的，二者成倒数关系，也就是显存频率＝1/显存时钟周期。因为DDR-RAM在时钟上升期和下降期都进行数据传输，其一个周期传输两次数据，相当于SDRAM频率的二倍，所以习惯上称呼的DDR频率是其等效频率，在其实际工作频率上乘以2，就得到了等效频率。因此所谓的PC3200内存，是指工作频率为200MHz，等效频率为400MHz的DDR内存，也就是常说的DDR400。
（9）内存封装：是指内存颗粒所采用的封装技术类型，封装就是将内存芯片包裹起来，以避免芯片与外界接触，防止外界对芯片的损害。空气中的杂质和不良气体，乃至水蒸气都会腐蚀芯片上的精密电路，进而造成电学性能下降。不同的封装技术在制造工序和工艺方面差异很大，封装后对内存芯片自身性能的发挥也起到至关重要的作用。显存封装形式主要有TSOP、TSOP-II、MBGA、FBGA等。
（10）SPD（Serial Presence Detect，串行存在检测）：SPD是一颗8针的EEPROM（Electrically Erasable Programmable ROM，电可擦写可编程只读存储器）芯片。它一般位于内存条正面的右侧（如图1），采用SOIC封装形式，容量为256字节（Byte）。SPD芯片内记录了该内存的许多重要信息，诸如内存的芯片及模组厂商、工作频率、工作电压、速度、容量、电压与行、列地址带宽等参数。SPD信息一般都是在出厂前，由内存模组制造商根据内存芯片的实际性能写入到ROM芯片中。
这十大定义是DDR的参数标准，而DDR2则又加入了三项新标准，
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1、OCD（Off-Chip Driver）：也就是所谓的离线驱动调整，DDR II通过OCD可以提高信号的完整性。DDR II通过调整上拉（pull-up）/下拉（pull-down）的电阻值使两者电压相等。使用OCD通过减少DQ-DQS的倾斜来提高信号的完整性；通过控制电压来提高信号品质。
2、ODT：ODT是内建核心的终结电阻器。我们知道使用DDR SDRAM的主板上面为了防止数据线终端反射信号需要大量的终结电阻。它增加了主板的制造成本。实际上，不同的内存模组对终结电路的要求是不一样的，终结电阻的大小决定了数据线的信号比和反射率，终结电阻小则数据线信号反射低但是信噪比也较低；终结电阻高，则数据线的信噪比高，但是信号反射也会增加。因此主板上的终结电阻并不能非常好的匹配内存模组，还会在一定程度上影响信号品质。DDR2可以根据自已的特点内建合适的终结电阻，这样可以保证最佳的信号波形。使用DDR2不但可以降低主板成本，还得到了最佳的信号品质，这是DDR不能比拟的。
3、Post CAS：它是为了提高DDR II内存的利用效率而设定的。在Post CAS操作中，CAS信号（读写/命令）能够被插到RAS信号后面的一个时钟周期，CAS命令可以在附加延迟（Additive Latency）后面保持有效。原来的tRCD（RAS到CAS和延迟）被AL（Additive Latency）所取代，AL可以在0，1，2，3，4中进行设置。由于CAS信号放在了RAS信号后面一个时钟周期，因此ACT和CAS信号永远也不会产生碰撞冲突。
那么究竟DDR2与DDR1有什么本质区别呢？
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一、封装：DDR内存通常采用TSOP芯片封装形式，这种封装形式可以很好的工作在200MHz上，当频率更高时，它过长的管脚就会产生很高的阻抗和寄生电容，这会影响它的稳定性和频率提升的难度。这也就是DDR的核心频率很难突破275MHZ的原因。而DDR2内存均采用FBGA封装形式。不同于目前广泛应用的TSOP封装形式，FBGA封装提供了更好的电气性能与散热性，为DDR2内存的稳定工作与未来频率的发展提供了良好的保障。
二、电压：DDR2内存采用1.8V电压，相对于DDR标准的2.5V，降低了不少，从而提供了明显的更小的功耗与更小的发热量


小结：DDR2采用了诸多的新技术，改善了DDR的诸多不足，虽然它目前有成本高、延迟慢能诸多不足，但相信随着技术的不断提高和完善，这些问题终将得到解决。

DDR2测试：打铁趁热，我就用借来的扣肉整机教大家几种最平常测内存的方法，美中不足，机器的主人在身边虎视眈眈，根本没机会超频，真是有点心不甘，他用的是一条金特尔 DDR2 800 1G内存，看过它的超频测试，反映不错，而它的做工也的确是很不错。不超也好，反正主要是介绍DDR2内存知识，以后有的是超频机会。