引言

當一個擁有 DRAM 子系統(tǒng)的設備啟動時，有幾件事需要在 DRAM 進入工作狀態(tài)之前完成。下圖是來自JEDEC specification（DDR4 標準，jedec.org/standards-doc）的狀態(tài)機，展示出上電之后 DRAM 經(jīng)歷的幾個狀態(tài)。

圖-1 DDR4 初始化狀態(tài)機

實質(zhì)上，完整的初始化過程（Initialization）包括以下 4 個單獨的步驟：

上電與初始化 ，Power-up and Initialization

ZQ 校準，ZQ Calibration

Verf DQ 校準，Verf DQ Calibration

讀寫訓練，即存儲介質(zhì)訓練/初始校準，Read/Write Training

譯注：至此標題中的 Initialization，calibration，training 已經(jīng)全部出現(xiàn)，接下來的文章中將嘗試讓讀者明白這三個詞的含義，以及這三個階段中具體做了哪些事情。

為了能夠更好地理解接下來的幾節(jié)內(nèi)容，這里我們假設有一個如下圖中的系統(tǒng)：具有單個 DIMM 器件（即只有單個內(nèi)存條）的 ASIC/FPGA/處理器（譯注：以下稱為主機）。

圖-2 示例系統(tǒng)

初始化 Initialization

圖-3 初始化相關的狀態(tài)

上電與初始化是由一系列精心設計的步驟組成的序列（sequence）。一般來說，在系統(tǒng)上電之后，ASIC/FPGA/處理器中的 DDR 控制器會被從復位狀態(tài)中釋放，自動執(zhí)行上電與初始化序列。下文中列舉了一個超簡化的控制器所做的工作，而在 JESD79-49A 的 3.3 節(jié)中有更詳細并準確的描述。

給 DRAM 顆粒上電

置低 DRAM 的復位端口 RESET，并使能 DRAM 的時鐘使能 CKE

使能并產(chǎn)生時鐘 CK_t/CK_c

向 DRAM 發(fā)出 MRS 命令，并按照特定的序列讀取/配置 DRAM 的 Mode Register

進行 ZQ 校準（ZQCL）

使 DRAM 進入狀態(tài)機中的 IDLE 狀態(tài)，為后續(xù)讀寫做好準備

在上述一系列流程結(jié)束后，DIMM 內(nèi)存條上的 DRAM 顆粒已經(jīng)了解了其需要工作在哪個頻率上，以及它的時序參數(shù)是多少，包括 CAS Latency，CAS Write Latency 等等。（譯注：那么讀者們，DRAM 是具體通過哪一個步驟了解這些信息的呢？）

ZQ 校準 ZQ Calibration

圖-4 ZQCL

ZQ 校準的概念與 DDR 數(shù)據(jù)信號線 DQ 的電路有關。當討論 ZQ 校準做了什么以及為何而做之前，我們首先需要來看下每個 DQ 管腳之后的電路。請注意，DQ 管腳都是雙向的（bidirectional），負責在寫操作時接收數(shù)據(jù)，在讀操作時發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖-5 DQ 校準模塊

如圖 5 所示，如果你從 DRAM 內(nèi)部的視角來看，每個 DQ 管腳之后的電路都有多個并聯(lián)的 240 歐姆電阻組成。（譯注：具體地說不上來，但這些電阻用于提高信號完整性）由于顆粒制造時， CMOS 工藝本身的限制，這些電阻不可能是精確的 240 歐姆。此外，阻值還會隨著溫度和電壓的改變而改變。所以必須校準至接近 240 歐姆，用于提高信號完整性。

為了能夠?qū)@些電阻阻值進行精確校準，每個 DRAM 顆粒具有：

專用的 DQ 校準模塊

一個 ZQ 管腳連接至外部電阻，該電阻阻值為精確的 240 歐姆

這個外部電阻因為其精確而且不會隨溫度變化而變化的阻值，被用于參考阻值。在初始化過程中，ZQCL 命令發(fā)出后，DQ 校準模塊對每個 DQ 管腳連接的電阻進行校準。

上文是對 ZQ 校準一個大概的講解：

DQ 管腳連接的電阻用于提高信號完整性 ->需要精確的阻值 ->由于制造工藝以及溫度變化的限制，這個阻值并不精確 ->引入 ZQ 管腳連接的外部電阻和 DQ 校準模塊，在初始化階段對 DQ 電阻值進行校準 ->提高信號完整性，以支持更高的數(shù)據(jù)速率。

如果你滿意了，可以直接忽略本節(jié)剩余的內(nèi)容，如果沒有，本節(jié)剩余的內(nèi)容將討論更多的細節(jié)，請繼續(xù)：

DQ 電路中的240歐姆電阻是Poly Silicon Resistor 類型的，通常來說，它們的阻值會略大于 240 歐姆。因此，在 DQ 電阻上并聯(lián)了很多 PMOS 管，當這些管子開啟時，通過并聯(lián)電阻降低 DQ 電阻的阻值，以接近 240 歐姆。

下圖中放大了某個電阻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有 5 個 PMOS 管與 DQ 電阻并聯(lián)，通過 VOU[0:4] 控制管子的開關，以控制并聯(lián)上來的電阻數(shù)量。

圖-6 DQ driver/receiver 電路，來自 Micron datasheet

連接至 DQ 校準控制模塊的電路包括一個由兩個電阻組成的分壓電路，其中一個是上面提到的可調(diào)阻值的 poly 電阻，而另一個則是精準的 240 歐姆電阻。

當 ZQCL 命令發(fā)出后，DQ 校準控制模塊使能，并通過其內(nèi)部邏輯控制 VOH[0:4] 信號調(diào)整 poly 電阻阻值，直到分壓電路的電壓達到 VDDQ/2，即兩者均為 240 歐姆。此時 ZQ 校準結(jié)束，并保存此時的 VOH 值，復制到每個 DQ 管腳的電路。

圖-7 DQ 校準模塊，來自 Micron datasheet

那么問題來了，為什么不在每個 DRAM 出廠時就將阻值調(diào)整至 240 歐姆呢？而是在每次使用之前（初始化）調(diào)整呢？

這是因為并聯(lián)的電阻網(wǎng)絡允許用戶在不同的使用條件下對電阻進行調(diào)整，為讀操作調(diào)整驅(qū)動強度，為寫操作調(diào)整端接電阻值。此外，不同 PCB 具有不同的阻抗，可調(diào)整的電阻網(wǎng)絡可針對每個 PCB 單獨調(diào)整阻值，以提高信號完整性，最大化信號眼圖，允許 DRAM 工作在更高的頻率下。

信號驅(qū)動強度可以通過 mode register MR1[2:1] 控制。端接電阻可以通過 MR1/2/5 中的 RTT_NOM, RTT_WR & RTT_PARK 進行調(diào)節(jié)。

DQ 判決電平校準 Verf DQ Calibraton

圖-8 VrefDQ Calibration

DDR4 數(shù)據(jù)線的端接方式（Termination Style）從 CCT（Center Tapped Termination，也稱 SSTL，Series-Stud Terminated Logic）更改為 POD（Pseudo Open Drain）。這是為了提高高速下的信號完整性，并節(jié)約 IO 功耗。這不是 POD 的首次應用，GDDR5 同樣使用 POD。

圖-9 DDR3（SSTL）v.s. DDR4（POD），來自 Micron datasheet

根據(jù)上圖可以發(fā)現(xiàn)，在 DDR3 中接收方使用 Vdd/2 作為判決電平，判斷信號為 0 或者為 1，上圖中 DDR3 的接收實際上是一個分壓電路。

但是在 DDR4 中，接收方不再有分壓電路，取而代之的是一個內(nèi)部參考判決電平，判斷信號為 0 或者為 1。這個判決電平稱為 VerfDQ。VerfDQ 可以通過模式寄存器 MR6 進行設定，在 VrefDQ 階段，控制器需要通過嘗試不同的 VerfDQ 值，來設置一個能夠正確區(qū)分高低電平的值。

讀寫訓練 Read/Write Training

在完成上述步驟后，DRAM 初始化已經(jīng)完成，并處于 IDLE 狀態(tài)，但此時存儲介質(zhì)仍然未處于正確的工作狀態(tài)。在正確讀寫 DRAM 之前，DDR 控制器或者物理層還必須來做一些重要的步驟，稱為讀寫訓練，也稱存儲介質(zhì)訓練/初始校準。

運行算法，以對齊 DRAM 的時鐘信號 CK 與數(shù)據(jù)有效信號 DQS 的邊沿

運行算法，確定 DRAM 顆粒的讀寫延遲

將采樣時刻移動至讀取數(shù)據(jù)眼圖的中央

報告錯誤，如果此時的信號完整性實在太差，沒辦法確保可靠的讀寫操作

為什么需要讀寫訓練

讓我們一起仔細地觀察我們的參考系統(tǒng)，下圖顯示數(shù)據(jù)與地址/控制信號，在內(nèi)存條與主機（ASIC/Processor）之間是如何連接的。

數(shù)據(jù)（DQ）以及數(shù)據(jù)有效（DQS）信號連接至內(nèi)存條的相應位置，因為內(nèi)存條與主機上相應端口是一一對應的，因此采用星型拓撲。

時鐘、命令&地址信號（CK，CKE，A，WE，CSn）連接至 DIMM 內(nèi)存條時，采用一種稱為 fly-by 的拓撲結(jié)構(gòu)，如下圖黑線所示。DIMM 上的多個顆粒（比如下圖中有 8 個）都共享同一組地址/控制信號，采用 fly-by 結(jié)構(gòu)能夠提高信號完整性與信號速度。

圖-10 詳細的參考系統(tǒng)示例

這樣一來，我們從主機的角度來看，與 DIMM 上不同的顆粒的距離是不同的。而從 DIMM 的角度來看，時鐘（黑色）與數(shù)據(jù)（綠色）之間的相對延遲對于不同顆粒是不同的。訓練的目的即消除這兩個不同對數(shù)據(jù)讀寫的影響。

DRAM 本身是個很“呆” 的器件，很多事情都需要 DDR 控制器來完成，為什么這么說呢。

如果你要進行寫操作，在初始化期間你需要通過將CAS Write Latency寫入 DRAM 模式寄存器，（CWL 是寫入列地址與數(shù)據(jù)之間的延遲時間長度），此后 DRAM 將始終使用該時序參數(shù)，不會變化。DDR 控制器需要負責根據(jù)板級的布線延遲以及 fly-by 結(jié)構(gòu)的路由延遲，調(diào)整數(shù)據(jù)與地址信號之間的延遲，以保證地址和數(shù)據(jù)信號到達每個 DRAM 的相對延遲滿足 CWL。

舉例而言，如果設置 CWL 為 9，一旦主機在發(fā)出列地址后，由于地址到達各 DRAM 的時間不同，因此需要以不同的延遲，在各數(shù)據(jù)線上發(fā)送寫數(shù)據(jù)，以保證寫數(shù)據(jù)到達 DRAM 的延遲均為 9。

讀操作也需要 DDR 控制器來做類似的工作。考慮到每個 DRAM 顆粒位于 DIMM 的不同位置，距離主機的距離不同。因此每個 DRAM 顆粒接收到讀命令的時間不同，因此后續(xù)回應的讀數(shù)據(jù)到達主機的時間也不相同。初始化期間，主機確定各個 DRAM 顆粒的延遲，并以此訓練內(nèi)部的電路，使電路能夠在正確的時刻采樣來自 DRAM 的讀數(shù)據(jù)。

對于讀寫訓練，控制器/PHY 一般提供多種算法。最常見的算法包括：

Write leveling

MPR Pattern Write

Read Centering

Write Centering

以上算法一般由控制器/PHY（譯注：以下統(tǒng)一表示為控制器） 完成，用戶只需要在寄存器中使能/失能相關算法，并根據(jù)其結(jié)果進行相應操作。接下來的幾節(jié)將進一步探討控制器是如何具體實現(xiàn)這些算法的。

Write Leveling

DRAM 寫入中最重要的，不能違反的時序參數(shù)是tDQSS，表示數(shù)據(jù)有效信號 DQS 相對時鐘信號 CK 的相對位置。tDQSS 必須在協(xié)議規(guī)定的 tDQSS(MIN) 和 tDQSS(MAX) 之間。如果 tDQSS 超出規(guī)定的限制，那么可能會寫入錯誤的數(shù)據(jù)。

既然內(nèi)存條上每個 DRAM 顆粒的數(shù)據(jù)有效信號相對于時鐘的延遲都不同，所以控制器必須對每個 DRAM 顆粒的 tDQSS 進行訓練，并根據(jù)訓練的結(jié)果滿足每個顆粒不同的延遲需求。

啟用 Write Leveling 時，控制器會做以下幾項工作：

下圖展示了 Write Leveling 的概念。

圖-11 Write Leveling 示意圖

MPR Pattern Write

MPR（Multi Purpose Register，多用途寄存器）Pattern Write 實際上并不是一種校準算法，通常是讀寫對齊（Read/Write Centering）之前的一個預備步驟。

DDR4 DRAM 包括四個 8 比特可編程寄存器，稱為 MPR，用于 DQ 比特訓練（比如 Read/Write Centering）。通過向模式寄存器 MR3[2] 寫 1，進入 MPR 訪問模式，在該模式下所以向 DRAM 進行的讀寫操作都會同 MPR 進行，而不是真正的存儲介質(zhì)。

Read Centering

Read Centering 的目的是訓練控制器的讀采樣電路，在讀數(shù)據(jù)眼圖的中央進行采樣，以獲得最穩(wěn)定的采樣結(jié)果。DDR 控制器

Write Centering

與 Read Centering 類似，Write Centering 的目的是設定每條數(shù)據(jù)信號線上寫數(shù)據(jù)的發(fā)送延遲，使 DRAM 端能夠根據(jù)對齊數(shù)據(jù)眼圖的中央的 DQS 采樣數(shù)據(jù)信號 DQ。

在 Write Centering 的過程中，控制器不斷執(zhí)行 寫-讀-延遲變化-比較 （Write-Read-Shift-Compare）的流程

通過上述流程，控制器判斷出正常讀寫數(shù)據(jù)時能容忍的最大發(fā)送延遲。因此可以推斷出寫數(shù)據(jù)的左右有效邊界，并在 DRAM 端將寫數(shù)據(jù)的中央與 DQS 邊沿對齊。

周期性校準 Periodic Calibration

交換機或者路由器等網(wǎng)絡設備，運行過程中的溫度和電壓可能發(fā)生變化。為了確保信號完整性，以及讀寫的穩(wěn)定性，一些在初始化階段進行訓練的參數(shù)必須重新訓練更新。控制器 IP 通常會提供下列兩項周期性校準流程。

周期性校準是一項可選的功能，因為如果你可以確定你的設備只會工作在穩(wěn)定的溫度環(huán)境下，那么初始化時進行的 ZQ 校準以及讀寫訓練就已經(jīng)足夠了

一般來說控制器可以通過設定一個計時器，來進行周期性校準，在計時器計滿中斷發(fā)生后進行周期性校準。

總結(jié)

在 DRAM 投入使用之前，有 4 個步驟的工作需要完成

在這些步驟完成后，系統(tǒng)正式進入 IDLE 狀態(tài)，并為后續(xù)的讀寫操作做好準備。根據(jù)設備的運行環(huán)境，你可能需要使能定期校準。

原文網(wǎng)址：左下角閱讀原文。

將模式寄存器 MR1 的比特 7 設為 1，使 DRAM 進入 Write Leveling 模式。在該模式中，DRAM 在數(shù)據(jù)有效 DQS 信號上升沿采樣時鐘信號 CK，并將采樣值通過數(shù)據(jù)信號 DQ 返回給控制器

控制器發(fā)送一系列 DQS 信號，在 Write Leveling 模式中，DRAM 根據(jù) DQS 信號采樣 CK 信號，返回采樣值 1 或者 0

控制器接下來

1.觀察 DRAM 返回的 CK 采樣值

2.根據(jù)采樣值增加或者減少 DQS 信號的延遲

3.繼續(xù)發(fā)送更新延遲的 DQS 信號，繼續(xù)觀察 CK 采樣值

DRAM 在 DQS 信號有效時，采樣 CK 信號并返回

重復步驟 2 至 4，直到控制器檢測到返回值從 0 變化到 1。此時，DQS 與 CK 上升沿對齊，控制器鎖定當前的 DQS 延遲，當前 DRAM 的 Write Leveling 完成

重復步驟 2 至 5，直到 DIMM 的所有 DRAM 顆粒都完成 Write Leveling

通過向模式寄存器 MR1 的比特 7 寫 0，退出 Write Leveling 模式

使能模式寄存器 MR3 中的 bit 2，進入 MPR 訪問模式，從 MPR 而不是 DRAM 存儲介質(zhì)中讀取數(shù)據(jù)

發(fā)起一系列讀請求，此時返回的是在 MPR Pattern Write 步驟中預先寫入 MPR 的 pattern。假設 pattern 是交替變化的 1-0-1-0-...

在讀數(shù)據(jù)進行過程中,增加或者減少采樣電路相對于時鐘的采樣延遲，來確定讀數(shù)據(jù)眼圖的左右邊界。（譯注：即保證讀取數(shù)據(jù)正確，與 pattern 一致時，最小以及最大采樣延遲）

在確定眼圖的左右邊界后，將讀延遲寄存器設置為眼圖的中央

對每一條數(shù)據(jù)信號 DQ 重復上述操作

發(fā)出一系列的寫，讀請求

增加寫數(shù)據(jù)時的發(fā)送延遲

將讀取的數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)進行比較

周期性 ZQ 校準， 也被稱為 ZQCS （ZQ Calibration Short），用于定期校準 240 歐姆電阻

周期性 Read Centering，重新計算讀取延遲以及其他相關的參數(shù)

上電與初始化 ，Power-up and Initialization

ZQ 校準，ZQ Calibration

Verf DQ 校準，Verf DQ Calibration

讀寫訓練，即存儲介質(zhì)訓練/初始校準，Read/Write Training