DDR4 SDRAM的封装和寻址

       本节先介绍DDR4 SDRAM的输出输出引脚，而后根据输入输出引脚的定义来对DDR4 SDRAM的寻址方式进行阐述，最后对器件封装进行简单介绍。

DDR4 SDRAM引脚说明

       本小节将会基于DDR4 SDRAM的功能对所有信号进行描述。从逻辑上来看，DDR4 SDRAM中数据通道和数据通道的边带信号采用三态输入输出，对应关键路径上的时钟、数据选通信号做了差分传输处理。从电气连接特性上来看，仅部分供电、参考电压采用了端接处理，而其他路径采用了差分、三态和复用设计。
       由于SDRAM核心密度越来越大，SDRAM上面的总线复用变得比较重要。从功能上来讲，SDRAM总线由命令总线、地址总线和数据总线构成。其中，地址信息可以看做命令信息的一部分，因此SDRAM的寻址需要和命令结合。在DDR4 SDRAM中，命令或者说寻址被分成了两部，激活命令（行寻址），读写命令（列寻址）。在行列寻址过程中，也存在行列地址公用的情形，因此DDR4的操作变得比较复杂。DDR4的操作流程请参考对应章节，本节对I/O信号做具体阐述，在理解DDR4的I/O操作时，对总线复用的理解将会大大有益于理解本章。

                                                               DDR4 SDRAM I/O描述

信号	类型	功能
CK_t, CK_c	Input	时钟：DDR4沿用差分时钟工作，CK_t和CK_c是差分时钟输入，器件在CK_t的上升沿和CK_c的下降沿的交点处采样所有地址和控制输入信号。
CKE, (CKE1)	Input	时钟使能：CKE为高电平激活内部时钟信号以及设备输入缓冲器和输出驱动器，而CKE拉低则禁用上述时钟。将CKE设为低电平可提供预充电断电（Precharge PowerDown）和自刷新（Self-Refresh）操作（当所有BANK都处于空闲状态时触发），或着提供激活掉电（Power-Down）模式（当任何存储体中的行均有效时触发）。CKE拉高时同步于自刷新模式退出。在上电和初始化序列期间，当VREFCA和内部DQ Vref变得稳定之后，必须在所有操作（包括自刷新）中维持CKE为高电平。掉电模式期间，除CK_t，CK_c，ODT和CKE以外的输入缓冲器均被禁用。自刷新期间禁用除CKE的所有输入缓冲区。
CS_n, (CS1_n)	Input	片选信号：CS_n为高电平时，所有命令均会被屏蔽。CS_n信号在具有多个RANK的系统上提供外部RANK片选。CS_n信号被视为DDR4命令代码的一部分（参考命令真值表）。
C0,C1,C2	Input	芯片ID：芯片ID仅用于通过TSV的2,4,8高堆栈的3DS来选择堆栈组件的每个切片。芯片ID被视为命令代码的一部分。（针对3DS堆叠芯片）
ODT, (ODT1)	Input	在芯片终端上：ODT为高时使能DDR4 SDRAM内部的RTT_NOM终端电阻。ODT技术即片上终结电阻，用于消除片上终端信号反射余波。启用后，对应X8配置 SDRAM颗粒，ODT仅适用每路DQ，DQS_t，DQS_c和DM_n / DBI_n / TDQS_t，NU / TDQS_c信号通路。对于x16配置，ODT应用于每个DQ，DQSU_t，DQSU_c，DQSL_t，DQSL_c，DMU_n和DML_n信号。模式寄存器可以对OTD电阻进行配置，当MR1中的模式寄存器A11 = 1时（启用TDQS）启用OTD电阻。如果MR1被编程为禁止RTT_NOM，则ODT引脚将被忽略。
ACT_n	Input	激活输入命令：ACT_n定义为与CS_n一起输入的激活命令。DDR4 SDRAM使用ACT_n、CS_n、RAS_n / A16、CAS_n / A15和WE_n / A14的特定组合来表示操作命令，请参考DDR4命令真值表。RAS_n、CAS_n、和WE_n分别在A16，A15，A14，上进行传输，即部分地址和命令复用总线。ACT_n有效时RAS_n / A16，CAS_n / A15和WE_n / A14的输入将被视为行地址A16，A15和A14。
RAS_n/A16. CAS_n/A15. WE_n /A14	Input	命令输入：RAS_n / A16，CAS_n / A15和WE_n / A14（以及CS_n）定义了要输入的命令。注意，这些引脚具有复用功能。当ACT_n为低有效时为激活命令（参考真值表），它们作为寻址地址A16，A15和A14，而当以ACT_n为高的非激活命令时，它们是用于读取，写入和其他命令真值表中定义的命令的命令引脚。
DM_n/DBI_n/TDQS_t, (DMU_n/DBIU_n), (DML_n/DBIL_n)	Input output	输入数据掩码和数据总线反相：DM_n是用于写数据的输入掩码信号。 由于DDR4采用突发传输技术，对于非连续访问，在写访问期间，DM_n信号与该信号对应的输入数据同时被采样，当DM_n为LOW时，SDRAM将屏蔽输入数据。DM_n信号在DQS的上下沿上采样。DM通过MR5中的模式寄存器A10，A11，A12设置与DBI功能复用。对于x8设备，通过MR1中的模式寄存器A11设置启用DM或TDQS功能。 DBI_n是输入的反相标识信号，用于标识数据是存储或要写入SDRAM中的数据是否要经过反相处理。如果DBI_n为低电平，则数据将在DDR4 SDRAM内部反转后存储/输出，而如果DBI_n为高电平，则正常输出。TDQS仅在X8中受支持
BG0 - BG1	Input	存储体组（BANK Group）输入：BG0-BG1定义将激活，读取，写入或预充电命令应用于哪个存储体组。BG0还确定在MRS周期内要访问哪个模式寄存器。X4 / 8具有BG0和BG1，但X16仅具有BG0
BA0 - BA1	Input	BANK地址输入：BA0-BA1定义将激活，读取，写入或预充电命令应用到哪个BANK。 存储体地址还确定了在MRS周期内要访问哪个模式寄存器。
A0 - A17	Input	地址输入：为ACTIVATE命令提供行地址，为Read / Write命令提供列地址，以从相应存储体的存储器阵列中选择一个位置。注意在DDR4中行列地址是复用的，而地址的高位又与命令复用。其中（A10 / AP，A12 / BC_n，RAS_n / A16，CAS_n / A15和WE_n / A14具有其他功能，请参见信号定义。地址输入还在模式寄存器设置命令期间提供操作码.A17仅针对x4组态。
A10 / AP	Input	自动预充电：在读/写命令期间对A10进行采样，以确定是否应在读/写操作后对所访问的存储体执行自动预充电。（高：自动预充电；低：无自动预充电）。在预充电命令期间对A10进行采样，以确定预充电是适用于一个存储库（A10低电平）还是适用于所有存储库（A10高电平）。如果只预充一个Bank，则按Bank地址选择该Bank。在ACT_n有效，即发送激活命令时传输行地址。
A12 / BC_n	Input	突发斩波：在读取和写入命令期间对A12 / BC_n进行采样，以确定是否将执行突发斩波。（高，无突发斩波；低：突发斩波）。 有关详细信息，请参见命令真值表。
RESET_n	Input	异步复位：RESET_n为低电平时复位有效，而RESET_n为高电平时无效。 在正常操作期间，RESET_n必须为高电平。RESET_n是CMOS轨到轨信号，直流高电平和低电平分别为VDD的80％和20％。
DQ	Input output	数据输入/输出：双向数据总线。如果通过模式寄存器启用了CRC，则在数据突发末尾添加CRC。
DQS_t, DQS_c,DQSU_t, DQSU_c,DQSL_t, DQSL_c	Input output	数据选通：和读数据一起输出，和写数据一起输入，并与读取数据边缘对齐，以写入数据为中心。对于x16，DQSL对应于DQL0-DQL7上的数据。DQSU对应于DQU0-DQU7上的数据。 数据选通脉冲DQS_t，DQSL_t和DQSU_t分别与差分信号DQS_c，DQSL_c和DQSU_c配对，以在读写期间向系统提供差分对信号。 DDR4 SDRAM仅支持差分数据选通，不支持单端。
TDQS_t, TDQS_c	output	终端数据选通：TDQS_t / TDQS_c仅适用于x8 DRAM。通过MR1中的模式寄存器A11 = 1启用，DRAM将在TDQS_t / TDQS_c上启用与DQS_t / DQS_c相同的终端电阻功能。 当通过MR1中的模式寄存器A11 = 0禁用时，DM / DBI / TDQS将提供数据屏蔽功能或取决于MR5的数据总线反转。未使用A11、12、10和TDQS_c， x4 / x16 DRAM必须通过MR1中的模式寄存器A11 = 0禁用TDQS功能。
PAR	Input	命令和地址奇偶校验输入：DDR4在具有MR设置的DRAM中支持偶校验。通过MR5中的寄存器启用后，DRAM会使用ACT_n，RAS_n / A16，CAS_n / A15，WE_n / A14，BG0-BG1，BA0-BA1，A17-A0计算奇偶校验。输入奇偶校验应保持在时钟的上升沿，并同时与CS_n LOW的命令和地址保持一致
ALERT_n	Input output	警告：它具有多种功能，例如CRC错误标志，命令和地址奇偶校验错误标志，作为输出信号指示错误。如果CRC中有错误，则Alert_n在一段时间间隔内变为LOW，然后返回HIGH。如果命令地址奇偶校验中存在错误，则Alert_n会在相当长的一段时间内变为低电平，直到继续进行DRAM内部恢复事务为止。 在连通性测试模式下，此引脚用作输入。 是否使用此信号取决于系统。 如果未作为信号连接，则必须将ALERT_n引脚绑定到板上的VDD
TEN	Input	连通性测试模式启用：X16器件上必选，并且密度等于或大于8Gb的x4 / x8上为可选输入。此引脚中的高电平将使连通性测试模式与其他引脚一起运行。 它是CMOS轨到轨信号，AC高低分别为VDD的80％和20％。 是否使用此信号取决于系统。可以通过一个弱下拉电阻将DRAM内部将此引脚拉低至VSS。
NC	无连接	不存在内部电气连接
VDDQ	供应	DQ电源：1.2 V +/- 0.06 V
VSSQ	供应	DQ地
VDD	供应	电源：1.2 V +/- 0.06 V
VSS	供应	地
VPP	供应	DRAM激活电源：2.5V（最低2.375V，最高2.75V）
VREFCA	供应	CA参考电压
ZQ	供应	ZQ校准参考引脚

       注意 仅输入引脚（BG0-BG1，BA0-BA1，A0-A17，ACT_n，RAS_n / A16，CAS_n / A15，WE_n / A14，CS_n，CKE，ODT和RESET_n）不提供端接。

DDR4 SDRAM寻址和容量计算

       本节以DDR4 8Gb芯片为例对DDR4的容量和寻址进行阐述。
对应SDRAM器件而言，常见的单Die数据位宽为4Bit（x4），8Bit（x8）和16Bit（x16）配置。对于现代的64Bit计算机而言，需要多个SDRAM拼接才可以完成所需的数据位宽。以常见的x8配置的SDRAM颗粒而言，需要8颗芯片拼接完成64Bit的数据位宽，这样，在Memory controller寻址一个数据单元时，8组芯片都会被选中，因此这8组芯片公用一个Cs_n信号，我们称之为1个RANK。
       综上，SDRAM的容量由两个重要参数，RANK的数据位宽和寻址深度。当使用多个芯片组成RANK时，RANK的数据位宽会增大，但是一般而言，不会改变寻址深度（如果这样需要使用高位地址做译码，在高速电路中不建议这么做）。SDRAM容量=单科芯片数据位宽 * RANK中芯片数 * 芯片寻址深度。
       以64-Bit的8GB系统而言，我们选用x8配置芯片，那么一个RANK中需要8颗这种芯片，则寻址深度=(8192Gb * 8Bit)/ (8 Bit * 8) = 1024Mb。而单颗芯片容量为1024Mb * 8Bit = 8Gb = 1GB。
       在SDRAM内部，存储单元被划分成行和列，一片区域的由行和列组成的区域我们成为BNAK（存储体），一个BNAK共用一个敏感信号放大器和寻址单元。这和SDRAM的原理和架构有关，不是本章重点，请参考SDRAM的晶体管原理，本章中会把存储信息的晶体管和电容抽象为存储单元，从而对SDRAM的寻址和组织形式进行介绍。在DDR4中，新增了BANK GROUP的概念，一颗存储芯片中会有4个或者8个Bank Group，使用BG[1:0]或BG[2:0]进行寻址；而每个BG组中有4个BANK存储体，使用BA[1:0]寻址；每个BANK中可以存在多个行，A0-A17用来寻址行，（只有16Gb容量DDR4存在A17），行地址从A14到A17不等，由容量和位宽决定；在每一行中，又存在多个列，DDR4协议规定每行为1024列，即页大小为1024，使用A0-A9进行寻址。

                                                               2 Gb寻址表

                 
                                                               4 Gb寻址表
                 
                                                               8 Gb寻址表
                 
                                                               16Gb寻址表
                 

DDR4 SDRAM封装和电气特性

       DDR4协议规定了两种封装形式，分别对应于X4/X8配置和X16配置。
       DDR4 SDRAM x4 / x8和x16组件有2组3列共6列电气焊球。可能还有其他非活动的焊球列用于机械支撑。
                                                   
DDR4 SDRAM的封装图如下：

               
                                                                  X4/X8 DDR4 封装
               
                                                                   X16 DDR4 封装