柴曉東

（黃河科技學院國際學院 河南鄭州 450063）

1 DRAM 存儲器

DRAM 存儲器的存儲元是由一個MOS 管和電容器構(gòu)成。MOS 管作為一個開關使用，通過MOS管對電容器進行充電或放電，利用電容器的電荷存儲效應來存儲數(shù)據(jù)。當電容器充電后，電容器上充滿電荷時，表示存儲數(shù)據(jù)1；當電容器放電后，電容器上沒有電荷時，表示存儲了數(shù)據(jù)0。雖然MOS作為開關使用，其輸入阻抗相對較高，可達到1014歐姆，但電容器的自動放電是不可避免的。隨著時間和溫度的變化，電容器上的電荷會慢慢減少。這種電荷的漏電，會導致電容器上存儲的數(shù)據(jù)丟失，即數(shù)據(jù)1 的丟失。為了防止出現(xiàn)這種數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，必須定期對DRAM 中存儲的數(shù)據(jù)進行讀操作，通過對電容器充電的方法，及時對電容器上的電荷進行補充，使其恢復到放電前的狀態(tài)，這個過程就稱為刷新。

在DRAM 存儲器中，讀1 的過程也是刷新的過程[1]。當讀出1 后，刷新緩沖器會打開，讀出的數(shù)據(jù)1 又會經(jīng)過刷新緩沖器被送到位線上，通過MOS 管對電容器進行再次充電，從而保證電容器上的電荷得到補充，即對電容再次寫1。但是DRAM 的讀操作具有隨機性，利用讀操作進行刷新，不能保證在一定的時間間隔內(nèi)，將DRAM 內(nèi)所有的存儲元都進行一次刷新。因此，在DRAM 內(nèi)部有一套獨立的刷新方法。

2 刷新方式

刷新方式有兩種，一種是分散式刷新，一種是集中式刷新。兩種刷新方式中，分散式刷新方式是最常見的。

2.1 分散式刷新

分散式刷新是把DRAM的每一行刷新都均勻的分布到所有行都被刷新一次的刷新時間（刷新周期）內(nèi)，即在所有行都被刷新一次的時間（刷新周期）內(nèi)，每隔一段時間，對其中一行進行一次刷新，整個刷新時間結(jié)束，DRAM的所有行都被刷新一次。當DRAM不進行刷新時，即可進行相應的讀、寫操作。例如，某DRAM有1024行，其刷新所有行的時間為16ms，則任意相鄰兩行的刷新間隔時間應為16ms/1024=15.6μs。在刷新間隔15.6μs內(nèi)，如果DRAM不進行刷新操作，則可進行讀、寫操作。

2.2 集中式刷新

集中式刷新是將DRAM的所有行的刷新都集中在一個刷新周期內(nèi)的一段時間內(nèi)進行。即整個刷新周期分兩個階段，前一個階段時間內(nèi)將DRAM的所有行進行一次刷新，而在后一個階段時間內(nèi)則進行相應的讀、寫操作。例如，某DRAM有1024行，其刷新周期為16ms，每一行的刷新操作時間為130ns，則刷新所有行需要的時間為130ns×1024，約為0.133ms，而可用于讀、寫操作的時間為16ms-0.133ms=15.867ms。即整個刷新周期分為0.133ms和15.867ms兩個階段。前一階段時間0.133ms用于刷新1024行，后一階段時間15.867ms用于進行讀、寫操作。

圖1所示為分散式刷新和集中式刷新兩種刷新方式的時序?qū)Ρ葓D。其中Tc為刷新一行所用的時間，Tr為規(guī)定的將所有行都刷新一次所需要的時間（刷新周期）。

圖1 分散式刷新和集中式刷新

3 刷新方法

刷新方法有三種，RAS#-only刷新，CAS#-before-RAS#刷新和隱蔽刷新。

3.1 RAS#-only 刷新

圖2 RAS#-only 刷新

RAS#-only 刷新又稱為ROR[2]。在執(zhí)行RAS#-only 刷新時，行地址信號會被送到地址線上。在地址線上出現(xiàn)有效的行地址信號后，行地址信號RAS#開始由高電平向低電平轉(zhuǎn)變。當RAS#信號低電平有效時，該行地址所對應的行開始被刷新。在刷新過程中，列地址信號CAS#一直保持高電平，處于無效狀態(tài)。整個刷新過程的時序圖如圖2 所示。圖中tRC為讀周期，tRAS為行地址設置時間，tRP為行地址預充電周期[3]。

DRAM 控制器負責行地址的提供和對應行的刷新，并且確保在適當?shù)臅r間內(nèi)，將片內(nèi)的所有行都刷新一次。需要注意的是，不管每一行的刷新次序如何設定，所有行的刷新必須在規(guī)定的時間內(nèi)完成。

3.2 CAS#-before-RAS#刷新

CAS#-before-RAS#刷新又稱為CBR 刷新，或者自動刷新（auto-refresh[4]）。這種刷新方法具有使用方便，功耗較低的特點，是最常見的一種刷新方法。CBR 刷新是從CAS#信號由高電平變成低電平后，RAS#信號由高電平變成低電平時開始執(zhí)行。以后，每當RAS#信號有效時，就執(zhí)行一個刷新周期。需要注意的是，當RAS#信號有效時，WE#信號必須保持高電平，不允許進行寫操作。

在DRAM 的刷新模塊內(nèi)有一個內(nèi)部計數(shù)器。當刷新模塊上電后，該內(nèi)部計數(shù)器被初始化，設置一個隨機計數(shù)值。每次進行CBR 刷新時，由內(nèi)部計數(shù)器來確定哪一行被刷新，該行被刷新后，內(nèi)部計數(shù)器的計數(shù)值自動加1。當再次進行CBR 刷新時，下一行被刷新，刷新完畢后，內(nèi)部計數(shù)器計數(shù)值又自動加1。依此類推，DRAM 的所有行都會被輪流刷新。當計數(shù)器的計數(shù)值達到最大值時，計數(shù)器會自動清零，并繼續(xù)計數(shù)。整個刷新過程中，每一行的刷新，都不需要外部地址。

圖3 所示為一個CBR 刷新周期的時序圖。從CAS#信號低電平有效開始，到RAS#信號變?yōu)榈碗娖接行?，這段時間為tCSR，即列地址設置時間。從RAS#信號低電平有效開始，到CAS#信號變?yōu)楦唠娖綗o效，這段時間為tCHR，即列地址保持時間。如果多個刷新操作連續(xù)進行時，CAS#信號將一直保持低電平有效狀態(tài)，每次RSA#信號變?yōu)榈碗娖接行r，就開始進行一個刷新操作。

由于CBR 刷新使用內(nèi)部計數(shù)器來確定哪些行被刷新，因此不需要外部地址。在刷新過程中，地址緩沖器一直處于關閉狀態(tài)，不需要額外的功耗向總線傳送行地址信號，從而可以降低DRAM 的功耗。

3.3 隱蔽刷新

圖4 所示為一個隱蔽刷新的時序圖。

隱蔽刷新是一種特殊的刷新方式，刷新是在DRAM 空閑時才進行，即在DRAM 不進行讀、寫操作時進行，它不影響DRAM 的正常讀、寫操作。隱蔽刷新一般是將存儲周期分為讀、寫周期和刷新周期兩部分[5]。讀、寫操作與刷新操作分開，互不干擾，因此刷新總是在一個讀、寫操作之后進行。

圖3 CAS#-before-RAS#刷新

在進行隱蔽刷新時，需要在刷新之前先進行一個讀操作或者寫操作，然后再進行刷新操作。圖4所示隱蔽刷新為一個讀操作之后進行的刷新。在進行隱蔽刷新時，RAS#信號由高電平變?yōu)榈碗娖接行В诮?jīng)歷行尋址和列尋址時鐘周期的差值即tRCD時間后，CAS#信號由高電平變?yōu)榈碗娖接行?。當CAS#信號經(jīng)歷RAS#保持時間即tRSH后，RAS#信號由低電平變?yōu)楦唠娖?，進入tRP行地址預充電時間。當讀操作結(jié)束后，進行刷新操作。在整個過程中，由于刷新開始之前CAS#信號已經(jīng)變?yōu)榈碗娖接行?，刷新開始時RAS#才變?yōu)榈碗娖接行?，因此相當于?zhí)行的是一個CBR 刷新（事實上不是一個CBR 刷新）。在這個CBR 刷新周期中，包含了正常讀周期中的tRP和刷新周期中的tRAS，因此在讀周期讀出的數(shù)據(jù)將會一直保持有效至刷新結(jié)束，而這一現(xiàn)象恰恰是隱蔽刷新中隱蔽的意義所在。換句話說，隱蔽刷新隱蔽的不是刷新過程所耗費的時間，而是在刷新過程中，數(shù)據(jù)總線上一直有讀周期讀出的有效數(shù)據(jù)，好像是在進行讀操作，沒有進行刷新操作一樣。在隱蔽刷新中，讀操作占用的時間和刷新操作占用的時間都是tRC，總時間為2tRC。

圖4 隱蔽刷新

圖5 所示為一個讀周期后進行CBR 刷新的時序圖。

圖5 中所示，一個讀周期結(jié)束，緊跟著執(zhí)行一個CBR 刷新周期。讀周期占用時間為tRC，CBR 刷新周期占用時間也為tRC，總時間為2tRC，這和隱蔽刷新中讀操作和刷新操作占用的時間相同。需要注意的是，隱蔽刷新在刷新過程中，數(shù)據(jù)總線上有有效數(shù)據(jù)的輸出，而CBR 刷新過程中，數(shù)據(jù)總線上沒有有效數(shù)據(jù)的輸出。

圖5 讀周期后的CBR 刷新

4 結(jié)束

對于一個標準的DRAM存儲器，一般都支持RAS#-only刷新，CAS#-before-RAS#刷新和隱蔽刷新三種刷新方法。每一種刷新方法既可以應用到分散式刷新方式中，也可以應用到集中式刷新方式中。至于應用哪種刷新方法最合適，需要根據(jù)設計者的使用需求而定。隨著DRAM的發(fā)展，越來越多的DRAM刷新都采用CBR刷新方法?？梢灶A見，在不久的將來，CBR刷新方法將有可能替代其他兩種刷新方法，成為DRAM刷新技術(shù)中惟一的刷新方法。因此，建議設計者在進行DRAM刷新相應設計時，采用CBR刷新方法。