DDR4实战教学(三)：特性与电气参数

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从今天起，我将陆续为大家带来DDR4的特性，DDR4的重要信号描述，DDR4的电气参数介绍，基于Hyperlynx的DDR4 SI仿真，DDR4的时序参数简介。
本节仅讲解DDR4的特性，DDR4的关键信号作用，DDR4的电气参数。
DDR4有哪些特性？

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DDR系列有DDR，DDR2、DDR3、DDR4、DDR2L、DDR3L、DDR4L、以及最新出现的DDR5。虽然技术在不断进步，但是每一代之间又有很多相似之处。我们观察下DDR主流系列产品的特色，就不难发现规律。很明显，电压越来越低了，频率越来越高了，数据总线由单端发展为差分了。我们发现这与总线的发展史有异曲同工之妙。
科技的根源仍旧是人类最普通的智慧，不信？那我们来举个不恰当的李子，栗子，例子。假如河的这边有很多李子，河的对面有很多栗子，如果只用人力，尽可能快的把河对面的栗子和这边的李子来回搬运，你有哪些办法？你会很轻易地提出若干方案，多找人同时搬；找游泳快的兄弟；在河比较窄的地方搬；2个人为一组，A扔李子，B扔栗子….
你想你故在，聪明的前辈们也和你一样，把这种思维运用在了DDR的设计上。最开始找了很多人一起搬，所以DDR最开始是并行走线设计；后来找游泳快的人，所以DDR的频率在不断提高；游泳快但是累啊，得找窄点的地方游，所以DDR工作电平越来越低（电流传输速度是一定的，所以电压越低，耗时越短）。一直来回游泳也不是个事啊，能不能两人成组，你负责搬0，我负责搬1，所以DDR总线逐渐也在由并行向差分演进。
如上就是DDR的技术发展规律，也是很多总线的发展规律。掌握规律，我们再来看特性，DDR4电平1.2V，DQS信号走差分，频率在1600Mbps~3200Mbps.
DDR4有哪些关键信号？

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DDR4都有哪些关键信号呢？一张图就可以看明白。有CK，ADDR，DQS，DQ，DQM信号，在电路之外，还能看到使能，复位，ODT，ZQ。
那么这些信号都有什么作用？我们接下来做简要介绍。
1. CK，Address，DQS，DQ，DM信号都有哪些作用？CK是DDR的数据通信时钟信号，当CK和Address信号配合工作时，可以进行CMD(命令)操作和Address(地址)信号传输。由于地址信号和命令信号在DDR操作过程中属于控制信号，相对DDR的数据传输，属于小众场景，所以DDR的地址信号和CMD信号目前仍然走的是单端走线，工作频率比起数据传输也比较低。所以我们不难发现，ADDR信号仍然是单端信号，且大部分匹配电阻仍然外置。
由于数据传输才是DDR的主要业务，所以在DDR进行数据传输时，需要增加额外的措施来保证数据传输，所以DDR4增加了新的角色，DQS，DQ，DM信号。
数据选取脉冲（DQS）是DDR中的重要功能，它的功能主要用来在一个时钟周期内准确的区分出每个传输周期，并便于接收方准确接收数据。每一颗芯片都有一个DQS信号线，它是双向的，在写入时它用来传送由CPU发来的DQS信号，读取时，则由DDR生成DQS向CPU发送。完全可以说，它就是数据的同步信号。甚至可以这么说，CK和DQS配合起来，作为DQ数据线的参考时钟，这也是为什么走线时，DQS和DQ要放到一起考虑的原因。
在数据连续传输过程中，随着时钟的变化，CPU可能会读取到DDR中位置1，位置2，位置3，位置4的数据，假如在这个连续传输过程中，CPU不想要位置2的数据，又不想中断数据传输，那么有什么办法呢？DQM就派上用场了，在传输到位置2是，DQM使能，就可以屏蔽掉位置2 的数据。
2.什么是ODT？芯片终端端接匹配电阻On-Die Termination简称为ODT。ODT是从DDR2后期的产品才开始出现的，并随着产品的升级，ODT呈现更多的数值。当前，ODT主要是用于数据（data，DQ）、数据选通（DQS/DQS＃）和数据掩码（Data Mask，DM）三类信号线。ODT的功能就是代替了常规的电路匹配设计，使原本在芯片外部的分立端接电阻集成到芯片内部，其简化电路结构如下图所示。ODT电路的引入，是DDR发展的里程碑，ODT有如下优势。

• 去掉了PCB板上的分立端接电阻元件，降低了硬件设计成本。
• 由于没有端接电阻，使PCB设计有更多的布线空间，方便EDA布线。
• 由于ODT通过内部的寄存器进行调节，可以通过软件开启和关闭，减少了调试工作量。
• 芯片内部端接比板级端接更加有效，这样没有过多的寄生效应。
• 减少了外部元件的数量，在可靠性上也获得了优化。

ODT的引入，为进一步提高DDRx内存的工作频率做了铺垫。当然，ODT也并不都是优点，因为使用了ODT，匹配电阻的种类和数值已经确定并无法修改；在某种程度上也会带来一定的功耗增加，所以在一些消费类的产品上也并不都是开启ODT功能。
3.什么是ZQ校准？ZQ是DDR3之后新增的一个引脚，而DDR3正是通过ZQ进行输出电阻（Ron）和 ODT的校准，这个校准过程在DRAM初始化过程中都会完成。ZQ在原理设计上比较简单，ZQ引脚通过一个低公差240Ω（一般公差为1％）的电阻直接连接到地即可。
除了眼图，DDR4还看那些电气参数？

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DDR4设计是否设计OK，就需要看DDR4的量测参数是否满足JEDEC规范。那规范中都定义了哪些电气参数呢？每个电气参数又代表了什么意义？接下来我们做简要介绍。

1. 过冲与下冲。信号如果在传输过程中阻抗不连续，就会出现反射，反射表现在示波器波形上，就是信号上冲和下冲，在DDR设计过程中，我们关注的不是信号在某个时间点的过冲幅值，而是过冲在时间维度的积分。关注的是一个过程，而不是一个点。对于每个信号，协议规范都会在这4个维度上对信号完整性进行定义规范。
2.信号的高电平和低电平。在高速信号传输中，信号能否达到协议规定的高电平最低门限和低电平最高门限，也直接决定了产品的稳定性。在DDR规范中，单端地址和控制命令、单端数据和数据掩码信号的AC和DC输入电平，差分时钟和数据选通信号的AC和DC输入电平都会被明确定义。仿真和测试过程中，只需要关注特定场景下的实测值有无达到协议规定值即可。
3. 差分信号交叉点电压。为了满足信号的建立和保持时间，差分信号单端交叉点必须保证在一定的范围内。交叉点以V DD/2作为参考电压，测量的是相对于V DD/2的偏离，偏离得越小越好。
4. 时序要求。有时序关系要求的主要有3组：地址、控制和命令信号与时钟信号之间；数据选通信号与时钟信号之间；数据、数据掩码与数据选通信号之间。所以在PCB设计时，也按信号进行分组设计，地址、控制和命令信号与时钟信号作为一组，数据、数据掩码信号与数据选通信号每一个字节作为一组，相同组的信号在设计时基本会保持长度相差在一定的范围之内，并且设计的方式基本一样（如同组布线在同层、有相同的过孔数等），这样才能保证满足时序的要求。
5. 斜率降额。总线的规范中有两种测量斜率的方式，分别是常规的测量方式和切线测量方式，以地址、控制和命令信号为例，其定义如下图所示。这两种测量方式主要由获得波形的质量决定，如果波形的单调性比较好，则以常规方式测量；如果单调性不好，出现一些回钩或台阶，则用切线方式测量。
图中红色框框代表常规斜率测量方法，绿色箭头代表切线方式测量方法。在DDR中，信号的建立和保持时间并不是唯一不变的，会随着斜率的变化而变化，为了弥补斜率造成的影响，在仿真最终的“建立和保持时间”时，测量的时序参数需要与降额参数相加。降额参数与信号的斜率和时钟/数据选通的斜率有关。
本文内容参考《Hyperlynx高速电路仿真实践》—蒋修国，林超文，李增《DDR3详解》---360图书馆。
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