雖然目前SDRAM內(nèi)存條價(jià)格已經(jīng)接底線，內(nèi)存開始向DDR和Rambus內(nèi)存過渡。但是由于DDR內(nèi)存是在SDRAM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以詳細(xì)了解SDRAM內(nèi)存的接口和主板設(shè)計(jì)方法對(duì)于設(shè)計(jì)基于DDR內(nèi)存的主板不無裨益。下面我們就從內(nèi)存顆粒、內(nèi)存槽位接口、主板和內(nèi)存之間的信號(hào)接口幾個(gè)方面來詳細(xì)闡述SDRAM內(nèi)存條和主板內(nèi)存系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。

　　內(nèi)存顆粒介紹

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　　對(duì)于DRAM（Dynamic Random Access Memory）內(nèi)存我想凡是對(duì)于計(jì)算機(jī)有所了解的讀者都不會(huì)陌生。這種類型的內(nèi)存都是以一個(gè)電容是否充有電荷來作為存儲(chǔ)狀態(tài)的標(biāo)志，電容沖有電荷為狀態(tài)1，電容沒有電荷為狀態(tài)0。其最大優(yōu)點(diǎn)是集成度高，容量大，但是其速度相對(duì)于SRAM (Static Random Access Memory) 內(nèi)存來說慢了許多。目前的內(nèi)存顆粒封裝方式有許多種，本文僅僅以大家常見的TSSOP封裝的內(nèi)存顆粒為例子。

　　其各個(gè)管腳的信號(hào)定義和我們所使用的DIMM插槽的定義是相同的，對(duì)于不同容量的內(nèi)存，地址信號(hào)的位數(shù)有所不同。另外一個(gè)需要注意的地方就是其供電電路。Vcc和Vss是為內(nèi)存顆粒中的存儲(chǔ)隊(duì)列供電，而VccQ和VssQ是為內(nèi)存顆粒中的地址和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)供電。兩者的作用不同。

　　我們對(duì)內(nèi)存顆粒關(guān)心的問題主要是其顆粒的數(shù)據(jù)寬度（數(shù)據(jù)位數(shù)）和容量（尋址空間大小）。而對(duì)于顆粒自檢、顆粒自刷新等等邏輯并不需要特別深入的研究，所以對(duì)此我僅僅是一筆帶過，如果讀者有興趣的讀者可以詳細(xì)研究內(nèi)存顆粒的數(shù)據(jù)手冊(cè)。雖然內(nèi)存顆粒有這么多的邏輯命令方式，但是由于目前北橋芯片和內(nèi)存顆粒的集成度非常高，只要在布線和元器件的選擇上嚴(yán)格按照內(nèi)存規(guī)范來設(shè)計(jì)和制造，需要使用邏輯分析儀來調(diào)試電路上的差錯(cuò)的情況比較少，并且在設(shè)計(jì)過程中盡量避免出現(xiàn)這種情況。

　　168線DIMM內(nèi)存插槽的信號(hào)定義我們目前PC和Server使用的內(nèi)存大都是168 Pins的SDRAM，區(qū)別只是其工作頻率有的可能是100MHz頻率，有的可能是133MHz頻率的。但是只要是SDRAM，其DIMM插槽的信號(hào)定義是一樣的。而這些引腳得定義就是設(shè)計(jì)內(nèi)存條和主板所必須遵從的規(guī)范。

　　內(nèi)存引腳主要分為如下幾類：地址引腳、數(shù)據(jù)引腳（包含校驗(yàn)位引腳）、片選等控制信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)。整個(gè)內(nèi)存時(shí)序系統(tǒng)就是這些引腳上的信號(hào)配合產(chǎn)生。下面的表中就是內(nèi)存插槽的引腳數(shù)量和引腳定義，對(duì)于一些沒有定義或者是保留以后使用的信號(hào)就沒有列出來。

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　　* 在讀模式時(shí)，控制芯片顆粒的Buffers數(shù)據(jù)輸出 在寫模式時(shí)，將芯片顆粒的Buffers中的數(shù)據(jù)寫入芯片顆粒中的內(nèi)存隊(duì)列中

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　　** 當(dāng)該信號(hào)為高時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)有

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　　 當(dāng)該信號(hào)為低時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)無效，并且該信號(hào)會(huì)觸發(fā)內(nèi)存顆粒的低功耗模式、自刷新模式或者掛起模式

　　我們從DIMM插槽的引腳定義就可以計(jì)算出來，每個(gè)DIMM槽位最大支持的內(nèi)存數(shù)值。該數(shù)值實(shí)際上是尋址空間乘上數(shù)據(jù)寬度，所以每個(gè)DIMM槽位支持最大容量為4GB = 214 x 214 x 8 Byte。但是由于內(nèi)存芯片顆粒的制造局限性，所以目前能夠使用的DIMM條的內(nèi)存都達(dá)不到這個(gè)容量，其容量最大的內(nèi)存條為1GB。

　　在設(shè)計(jì)和制造內(nèi)存條的時(shí)候，所有的內(nèi)存條都是按照插槽的規(guī)范來布線和生產(chǎn)，所以對(duì)于內(nèi)存地址空間，所有生產(chǎn)出來的內(nèi)存條都是相同的地址空間，例如一條128MB內(nèi)存，他就是用了地址線A0-A13，當(dāng)我們?cè)谝慌_(tái)計(jì)算機(jī)上安裝多個(gè)內(nèi)存時(shí)，如何分配每個(gè)內(nèi)存內(nèi)存條的地址空間呢？這個(gè)工作就需要北橋芯片和主板來配合了。

　　SPD信號(hào)定義

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　　內(nèi)存中使用的SPD都是一片8針TSSOP（Plastic Thin Small Outline Package）封裝的串行存儲(chǔ)EEPROM，其容量是2048bit。每個(gè)DIMM的SPD數(shù)據(jù)讀寫時(shí)鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA都是共享在一條總線上，所以當(dāng)我們?cè)谝慌_(tái)機(jī)器上會(huì)安裝多條內(nèi)存時(shí)，其SPD的片選信號(hào)就需要事先確定。該片選信號(hào)是由SA0，SA1，SA2三條數(shù)據(jù)線來確定，該數(shù)據(jù)線的狀態(tài)由主板設(shè)計(jì)廠商在設(shè)計(jì)主板的時(shí)候固定下來。在每次讀寫該EEPROM的時(shí)候，北橋芯片會(huì)按照EEPROM的讀寫規(guī)格首先向該芯片發(fā)送3位片選信號(hào)和8位地址信息，每個(gè)芯片都會(huì)讀入該3位片選信號(hào)和8位地址信號(hào)。當(dāng)3位片選信號(hào)和主板上固化的3?醯刂廢擼⊿A0，SA1，SA2）的狀態(tài)一致的時(shí)候該內(nèi)存條上的SPD芯片就被選中，其信息會(huì)記錄在北橋控制器的寄存器中（Register）。

　　SPD讀寫邏輯中的片選必須滿足下圖的時(shí)序邏輯。在此主要介紹地址選擇邏輯，對(duì)于數(shù)據(jù)如何讀寫的時(shí)序，有興趣的讀者可以查閱 Atemel 24C02A 的數(shù)據(jù)手冊(cè)（許多內(nèi)存廠商都選用該芯片作為SPD）。在這個(gè)時(shí)序中，硬件上僅僅需要滿足其Device Address 地址信息。該地址信息是一個(gè) 8bit 的數(shù)據(jù)，它的格式如下

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　　該數(shù)據(jù)通過SCL提供的時(shí)鐘同步，0-3 位是固定的信息，4-6 位是片選地址，7位是判斷該，命令是讀還是寫。在芯片內(nèi)部會(huì)對(duì)4-6位的數(shù)據(jù)和硬件電路上的狀態(tài)進(jìn)行比較，相符的話，該芯片被選中，否則不進(jìn)行下面的操作。從該時(shí)序邏輯可以得知，一個(gè)SPD通道（僅僅只有一對(duì)SCL和SDA信號(hào)線）只支持8條內(nèi)存。至于SPD的讀寫和SPD內(nèi)容的含義在此就不做進(jìn)一步說明。

　　注：SPD涉及到的縮寫

　　SA 0-2 Serial Presence Detect Address Inputs

　　SDA Serial Presence Detect Address Input/Output

　　SCL Serial Presence Detect Clock Input

　　WP Write Protect for SPD on DIMM

　　內(nèi)存條的設(shè)計(jì)　

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　　我們已經(jīng)知道了內(nèi)存顆粒、SPD的接口信息，下面就可以開始設(shè)計(jì)內(nèi)存了。內(nèi)存條的邏輯功能圖差別不是非常大，對(duì)于不同容量的顆粒，只是在數(shù)量上有所改變。

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　　上面的邏輯功能圖就是一個(gè)帶ECC功能72bit 內(nèi)存條的邏輯功能圖。采用的是16bit數(shù)據(jù)寬度的內(nèi)存顆粒。由于內(nèi)存條每次讀寫必須滿足64bits（非ECC）或者72bit(ECC)，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候顆粒數(shù)量是固定的。上面的內(nèi)存條僅僅只有一個(gè)Bank，所以沒有使用BA信號(hào)。如果該內(nèi)存條設(shè)計(jì)的時(shí)候是兩個(gè)Bank，其功能圖中就多出了BA選擇信號(hào)，并且其容量也會(huì)隨之增加1倍。剩下的工作就是布線，在一個(gè)6層電路板上布下所有的信號(hào)線。

　　但是隨著目前服務(wù)器內(nèi)存的增大，內(nèi)存插槽數(shù)量的增多，服務(wù)器內(nèi)存系統(tǒng)各個(gè)引腳間的引線長度會(huì)產(chǎn)生較大差別，導(dǎo)致信號(hào)時(shí)序會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)位。并且控制器的信號(hào)控制這么多的內(nèi)存，有限的驅(qū)動(dòng)能力會(huì)不堪重負(fù)。針對(duì)這種情況，服務(wù)器中的內(nèi)存主要采用的是Registered內(nèi)存，在內(nèi)存上添加鎖相環(huán)電路和幾個(gè)寄存器，這樣每個(gè)控制信號(hào)僅僅針對(duì)數(shù)量很少的寄存器，不用針對(duì)內(nèi)存條上的每個(gè)內(nèi)存顆粒來輸出信號(hào)，可以很大程度上降低控制芯片的負(fù)載，提高信號(hào)的質(zhì)量。同時(shí)鎖相環(huán)電路大大減少了內(nèi)存系統(tǒng)的時(shí)間延遲，保證了數(shù)據(jù)的同步。

　　下面就是寄存器的功能圖

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　　寄存器僅僅寄存了每個(gè)內(nèi)存條上的控制信號(hào)，對(duì)于數(shù)據(jù)信號(hào)沒有進(jìn)行任何操作。因?yàn)榭刂菩盘?hào)例如S0、CKE0等等信號(hào)都是控制多個(gè)內(nèi)存顆粒的信號(hào)，所以當(dāng)服務(wù)器上安裝8到16條內(nèi)存的時(shí)候，僅僅靠主板上的控制芯片來控制肯定是力不從心。

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　　上面的邏輯圖就很好的說明了Registered內(nèi)存中鎖相環(huán)電路的作用。該電路時(shí)時(shí)保證和主板上的時(shí)鐘電路所屬出的時(shí)鐘頻率保持同步，使用這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)寄存器和內(nèi)存芯片顆粒就不會(huì)產(chǎn)生時(shí)鐘的漂移。所以目前的服務(wù)器內(nèi)存都采用的是Registered內(nèi)存條。

　　主板上內(nèi)存系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主板上對(duì)于內(nèi)存的訪問主要是由北橋芯片來控制。32位CPU能夠訪問的內(nèi)存容量是64GB。這是由CPU尋址空間和數(shù)據(jù)帶寬固定的。但是在實(shí)際使用中，我們的北橋芯片能夠?qū)ぶ返目臻g卻十分有限。一般PC是2GB，高端PC可能達(dá)到4GB，高端服務(wù)器可以達(dá)到32GB的內(nèi)存容量。這一部分和各個(gè)系統(tǒng)內(nèi)存控制芯片的設(shè)計(jì)有關(guān)。在此我以Intel 815E芯片組為例說明一下主板上內(nèi)存系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

　　Intel 815E北橋控制芯片的內(nèi)存控制電路的邏輯圖如下：

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　　每種信號(hào)引腳的功能如下表：

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　　該芯片組的內(nèi)存兼容性和管理特性主要有下面幾點(diǎn)：

　　Intel 815E支持64bits的內(nèi)存。

　　從芯片引腳信號(hào)圖可以看出，該芯片組只有64bits的數(shù)據(jù)帶寬，沒有8bits的ECC校驗(yàn)。

　　北橋芯片沒有SPD監(jiān)測電路。

　　該信息必須通過南橋芯片上的服務(wù)器系統(tǒng)管理總線SM_Bus總線來讀出SPD的信息，然后傳送到北橋芯片的寄存器中。

　　該芯片組不支持Registered內(nèi)存。

　　可以支持3個(gè)DIMM插槽。每個(gè)槽位最大支持512MB。

　　計(jì)算方法：采用SMAA，總共使用數(shù)據(jù)帶寬為64bits。

　　容量為512MB=213 x 213 x 8

　　我們根據(jù)Intel 815E芯片的特性，就可以設(shè)計(jì)出主板上的DIMM插槽的電路連接邏輯示意圖了（注：該圖中沒有標(biāo)出SPD的地址分配信息）：

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　　每個(gè)DIMM槽的SDQM、SMD、SMB_CLK（管理總線_時(shí)鐘信號(hào)線）、SMB_DATA（管理總線_數(shù)據(jù)信號(hào)線）、SCAS、SRAS、SWE、SBS是共享的。那么如何區(qū)別每個(gè)DIMM槽上的內(nèi)存呢？每個(gè)DIMM槽上的內(nèi)存顆粒通過SMAA，SMAB，SMAC三個(gè)地址來區(qū)分其不同的地址段，而12條片選信號(hào)則在每個(gè)DIMM槽上分配4條，分別選擇不同的芯片顆粒。這樣同種的內(nèi)存條插在不同的插槽上就被分配了不同的內(nèi)存地址段。

　　至此，我們的內(nèi)存系統(tǒng)從顆粒到主板的整個(gè)地址和數(shù)據(jù)組織管理模式就清晰的擺在讀者面前了。