Тайминги памяти.

Тайминги памяти.

Понятие «таймингов» тесно связано с задержками, возникающими при любых операциях с содержимым ячеек памяти и в связи со вполне конечной скоростью функционирования устройств SDRAM, как и любых других интегральных схем. Задержки, возникающие при доступе в память, также называют «латентностью» памяти.

Где именно возникают задержки при операциях с данными, и как они связаны с важнейшими параметрами таймингов памяти? Рассмотрим конкретную схему доступа к данным, содержащимся в ячейках памяти микросхемы SDRAM и также еще несколько иную категорию таймингов, связанных не с доступом к данным, но с выбором номера физического банка для маршрутизации команд по командному интерфейсу модулей памяти класса SDRAM (так называемые «задержки командного интерфейса»).

Активизация строки. Перед осуществлением любой операции с данными, содержащимися в определенном банке микросхемы SDRAM (чтения — команда READ, или записи — команда WRITE), необходимо «активизировать» соответствующую строку в соответствующем банке. С этой целью, на микросхему подается команда активизации (ACTIVATE) вместе с номером банка (линии BA0-BA1 для 4-банковой микросхемы) и адресом строки (адресные линии A0-A12, реальное количество которых зависит от количества строк в банке, в рассматриваемом примере 512-Мбит микросхемы памяти SDRAM их число составляет 2¹³ = 8192). Активизированная строка остается открытой (доступной) для последующих операций доступа до поступления команды подзарядки банка (PRECHARGE), по сути, закрывающей данную строку. Минимальный период «активности» строки — от момента ее активации до момента поступления команды подзарядки, определяется минимальным временем активности строки (Row Active Time, t_RAS). Повторная активизация какой-либо другой строки того же банка не может быть осуществлена до тех пор, пока предыдущая строка этого банка остается открытой (т.к. усилитель уровня, содержащий буфер данных размером в одну строку банка является общим для всех строк данного банка микросхемы SDRAM). Таким образом, минимальный промежуток времени между активизацией двух различных строк одного и того же банка определяется минимальным временем цикла строки (Row Cycle Time, t_RC).

В то же время, после активизации определенной строки определенного банка микросхеме SDRAM ничто не мешает активизировать какую-либо другую строку другого банка (в этом преимущество «многобанковой» структуры микросхем SDRAM) на следующем такте шины памяти. Тем не менее, в реальных условиях производителями устройств SDRAM обычно здесь также умышленно вводится дополнительная задержка - задержка от активации строки до активации строки(Row-to-Row Delay, t_RRD). Причины введения этой задержки не связаны с функционированием микросхем памяти как таковых и являются чисто электрическими — операция активизации строки потребляет весьма значительное количество электрического тока, всвязи с чем частое их осуществление может приводить к нежелательным избыточным нагрузкам устройства по току.

Операции чтения/записи данных.Следующий временной параметр функционирования устройств памяти возникает в связи с тем, что активизация строки памяти сама по себе требует определенного времени. В связи с этим, последующие (после ACTIVATE) команды чтения (READ) или записи (WRITE) данных не могут быть поданы на следующем такте шины памяти, а лишь спустя определенный временной интервал - задержку между подачей адреса строки и столбца (RAS#-to-CAS# Delay, t_RCD). После прошествия интервала времени, равного t_RCD, при чтении данных в микросхему памяти подается команда READ вместе с номером банка (предварительно активизированного командой ACTIVATE) и адресом столбца.

Устройства памяти типа SDRAM ориентированы на чтение и запись данных в пакетном (Burst) режиме. Это означает, что подача всего одной команды READ (WRITE) приведет к считыванию из ячеек (записыванию в ячейки) не одного, а сразу нескольких подряд расположенных элементов, или «слов» данных (разрядность каждого из которых равна ширине внешней шины данных микросхемы — например, 8 бит). Количество элементов данных, считываемых одной командой READ или записываемых одной командой WRITE, называется «длиной пакета» (Burst Length) и обычно составляет 2, 4 или 8 элементов (за исключением экзотического случая передачи целой строки (страницы) — «Full-Page Burst», когда необходимо дополнительно использовать специальную команду BURST TERMINATE для прерывания сверхдлинной пакетной передачи данных). Для микросхем памяти типа DDR параметр Burst Length не может принимать значение меньше 2 и 4 элементов, соответственно.

Существует две разновидности команды чтения. Первая из них является «обычным» чтением (READ), вторая называется «чтением с автоматической подзарядкой» (Read with Auto-Precharge, «RD+AP»). Последняя отличается тем, что после завершения пакетной передачи данных по шине данных микросхемы автоматически будет подана команда подзарядки строки (PRECHARGE), тогда как в первом случае выбранная строка микросхемы памяти останется «открытой» для осуществления дальнейших операций.

После подачи команды READ, первая порция данных оказывается доступной не сразу, а с задержкой в несколько тактов шины памяти, в течение которой данные, считанные из усилителя уровня, синхронизируются и передаются на внешние выводы микросхемы. Задержка между подачей команды чтения и фактическим «появлением» данных на шине считается наиболее важной и именуется пресловутой «задержкой сигнала CAS#» (CAS# Latency, t_CL). Последующие порции данных (в соответствии с длиной передаваемого пакета) оказываются доступными без каких-либо дополнительных задержек, на каждом последующем такте шины памяти (по 1 элементу за такт для устройств SDR, по 2 элемента в случае устройств DDR/DDR2).

Операции записи данных осуществляются аналогичным образом. Точно также существуют две разновидности команд записи — простая запись данных (WRITE) и запись с последующей автоматической подзарядкой строки (Write with Auto-Precharge, «WR+AP»). Точно также при подаче команды WRITE/WR+AP на микросхему памяти подаются номер банка и адрес столбца. Наконец, точно также запись данных осуществляется «пакетным» образом. Отличия операции записи от операции чтения следующие. Во-первых, первую порцию данных, подлежащих записи, необходимо подать по шине данных одновременно с подачей по адресной шине команды WRITE/WR+AP, номера банка и адреса столбца, а последующие порции, количество которых определяется длиной пакета — на каждом последующем такте шины памяти. Во-вторых, вместо «задержки сигнала CAS#» (t_CL) важной здесь является иная характеристика, именуемая «периодом восстановления после записи» (Write Recovery Time, t_WR). Эта величина определяет минимальный промежуток времени между приемом последней порции данных, подлежащих записи, и готовности строки памяти к ее закрытию с помощью команды PRECHARGE. Если вместо закрытия строки требуется последующее считывание данных из той же самой открытой строки, то приобретает важность другая задержка, именуемая «задержкой между операциями записи и чтения» (Write-to-Read Delay, t_WTR).

Подзарядка строки. Цикл чтения/записи данных в строки памяти, который в общем случае можно обозначить «циклом доступа к строке памяти», завершается закрытием открытой строки банка с помощью команды подзарядки строки — PRECHARGE (которая, как мы уже отмечали выше, может быть «автоматической», т.е. являться составной частью команд «RD+AP» или «WR+AP»). Последующий доступ к этому банку микросхемы становится возможным не сразу, а по прошествии интервала времени, называемого «временем подзарядки строки» (Row Precharge Time, t_RP). За этот период времени осуществляется собственно операция «подзарядки», т.е. возвращения элементов данных, соответствующих всем столбцам данной строки с усилителя уровня обратно в ячейки строки памяти.

Рассмотрим основные соотношения между важнейшими параметрами таймингов на примере более простых операций чтения данных. В самом простейшем и самом общем случае для пакетного считывания заданного количества данных (2, 4 или 8 элементов) необходимо осуществить следующие операции:

- с помощью команды ACTIVATE активизировать строку в банке памяти;

- подать команду чтения данных READ;

- считать данные, поступающие на внешнюю шину данных микросхемы;

- с помощью команды подзарядки строки PRECHARGE закрыть строку (как вариант, это делается автоматически, если на втором шаге использовать команду «RD+AP»).

Временной промежуток между первой и второй операцией составляет «задержку между RAS# и CAS#» (t_RCD), между второй и третьей — «задержку CAS#» (t_CL). Промежуток времени между третьей и четвертой операциями зависит от длины передаваемого пакета. Строго говоря, в тактах шины памяти он равен длине передаваемого пакета (2, 4 или 8), поделенного на количество элементов данных, передаваемых по внешней шине за один ее такт — 1 для устройств типа SDR, 2 для устройств типа DDR. Условно назовем эту величину «t_BL». Микросхемы SDRAM позволяют осуществлять третью и четвертую операции в некотором смысле «параллельно». Команду подзарядки строки PRECHARGE можно подавать за некоторое количество тактов x до наступления того момента, на котором происходит выдача последнего элемента данных запрашиваемого пакета, не опасаясь при этом возникновения ситуации «обрыва» передаваемого пакета (последняя возникнет, если команду PRECHARGE подать после команды READ с временным промежутком, меньшим x). Отметим, что этот промежуток времени составляет величину, равную величине задержки сигнала CAS# за вычетом единицы (x = t_CL - 1). Промежуток времени между четвертой операцией и последующим повтором первой операции цикла составляет «время подзарядки строки» (t_RP).

Минимальному времени активности строки (от подачи команды ACTIVATE до подачи команды PRECHARGE, t_RAS), по его определению, как раз отвечает промежуток времени между началом первой и началом четвертой операции. Отсюда вытекает первое важное соотношение между таймингами памяти:

t_{RAS, min} = t_RCD + t_CL + (t_BL - (t_CL - 1)) - 1,

где t_RCD — время выполнения первой операции, t_CL — второй, (t_BL - (t_CL - 1)) — третьей, наконец, вычитание единицы производится вследствие того, что период t_RAS не включает в себя такт, на котором осуществляется подача команды PRECHARGE. Сокращая это выражение, получаем:

t_{RAS, min} = t_RCD + t_BL.

Вывод, вытекающий из детального рассмотрения схемы доступа к данным, содержащимся в памяти типа SDRAM, заключается в том, что минимальное значение t_RAS не зависит от величины задержки CAS#,t_CL (зависимость первого от последнего — достаточно распространенное заблуждение, довольно часто встречающееся в различных руководствах по оперативной памяти).

В качестве примера первого соотношения, рассмотрим типичную высокоскоростную память типа DDR с величинами задержек (t_CL-t_RCD-t_RP) 2-2-2. При минимальной длине пакета BL = 2 (минимально возможной для DDR) необходимо затратить не менее 1 такта шины памяти для передачи пакета данных. Таким образом, в этом случае минимальное значение t_RAS оказывается равным 3 (столь малое значение t_RAS не позволяет выставить подавляющее большинство контроллеров памяти). Передача более длинных пакетов, состоящих из 4 элементов (BL = 4, t_BL = 2), увеличивает это значение до 4 тактов, наконец, для передачи максимального по длине 8-элементного пакета (BL = 8, t_BL = 4) требуемое минимальное значение t_RAS составляет 6 тактов. Отсюда следует, что, поскольку большинство контроллеров памяти не позволяют указать значение t_RAS < 5, разумно настроить подсистему памяти таким образом, чтобы длина передаваемого пакета была максимальной (BL = 8, в том случае, если этот параметр присутствует в настройках подсистемы памяти в BIOS материнской платы), а величина t_RAS принимала значение, равное 6. Альтернативный вариант — BL = 4, t_RAS = 5.

Второе важное соотношение между таймингами вытекает из того факта, что полный цикл пакетного чтения данных — от 1-й стадии до ее повторения — именуется собственно «минимальным временем цикла строки», t_RC. Поскольку первые три стадии, как мы показали выше, не могут занимать время, меньшее t_RAS, а последняя занимает время, строго равное t_RP, получаем:

t_RC = t_RAS + t_RP.

Некоторые контроллеры памяти (например, интегрированный контроллер памяти процессоров AMD64) позволяют независимо устанавливать значения таймингов t_RAS и t_RC, что в принципе может привести к несоблюдению указанного выше равенства. Тем не менее, особого смысла это неравенство не имеет — оно лишь будет означать, что параметры t_RAS, либо t_RC будут автоматически «подстроены» (в сторону большего значения) для соблюдения рассмотренного равенства.

Четыре важнейших параметра таймингов памяти, расположенных в такой последовательности: t_CL-t_RCD-t_RP-t_RAS, принято называть «схемой таймингов». Такие схемы (например, 2-2-2-5 или 2.5-3-3-7 для памяти типа DDR; 3-3-3-9, 4-4-4-12 и 5-5-5-15 для памяти типа DDR2) достаточно часто можно встретить в спецификациях на модули оперативной памяти. Хотя такая последовательность не соответствует фактической последовательности возникновения задержек при доступе в микросхему памяти (так, t_RCD располагается перед t_CL, а t_RAS — «где-то посередине»), поэтому на самом деле она отражает основные тайминги памяти, расположенные в порядке их значимости. Действительно, наиболее значимой является величина задержки CAS# (t_CL), проявляющая себя при каждой операции чтения данных, тогда как параметры t_RCD и t_RP актуальны лишь при операциях на уровне строки памяти в целом (ее открытия и закрытия, соответственно).

Особой категорией таймингов, не связанных с доступом к данным, находящимся в ячейках микросхем SDRAM, можно считать так называемые «задержки командного интерфейса», или обратную им характеристику — «скорость подачи команд» (command rate). Эти задержки связаны с функционирования подсистемы памяти на уровне не индивидуальных микросхем, а составляемых ими физических банков. При инициализации подсистемы памяти каждому сигналу выбора кристалла (chip select), ассоциированному с определенным физическим банком памяти, в регистрах чипсета присваивается определенный номер (нумерация осуществляется, как правило, по емкости физических банков — например, по убывающей), уникальным образом идентифицирующий данный физический банк при каждом последующем запросе (поскольку все физические банки разделяют одни и те же, общие шины команд/адресов и данных). Чем больше физических банков памяти присутствует на общей шине памяти, тем больше электрическая емкостная нагрузка на нее, и тем больше задержка распространения сигнала (прямое следствие протяженности пути сигнала) и задержка кодирования/декодирования и работы логики адресации и управления.

Задержки командного интерфейса могут регулироваться как в настройках подсистемы памяти в BIOS (например, настройка параметра «Command Rate: 1T/2T» платформ AMD Athlon 64), или настройка задержек командного интерфейса может отсутствовать в явном виде (так как регулируются автоматически) у платформ INTEL.