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PSRAM完全解讀 (qq.com)

PSRAM完全解讀

一. PSRAM概述

PSRAM即偽靜態(tài)RAM,要講到PSRAM首先得從SRAM和DRAM講起。

SRAM和DRAM都代表易失性的存儲形式，當(dāng)電源掉電時內(nèi)容丟失。SRAM使用六晶體管存儲單元存儲數(shù)據(jù)，速度更快，效率更高(比dram需要更少的功率)，允許數(shù)據(jù)殘留，并且通常更昂貴，接口簡單, 驅(qū)動簡單。

相比之下，DRAM通過結(jié)合金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)和金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)電容器來實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，DRAM芯片更便宜，但需要從外部源不斷刷新以保留其電容器上的數(shù)據(jù)，接口復(fù)雜，驅(qū)動復(fù)雜。

那么有沒有一種RAM能結(jié)合SRAM和DRAM的優(yōu)點，即容量大,又接口驅(qū)動簡單呢,有,因為有以上需求于是PSRAM應(yīng)運而生，PSRAM接口和SRAM一樣簡單，驅(qū)動簡單；而存儲形式則和DRAM一樣，容量遠(yuǎn)大于SRAM，介于SRAM和DRAM之間,現(xiàn)在一般是最大64MB。

美光科技聯(lián)合華邦電子 （Winbond Electronics）、GigaDevice Semiconductor 和 AP Memory Technology 創(chuàng)立了Xccela 聯(lián)盟, 其中 Xccela Bus 接口即PSRAM使用的接口。

二. PSRAM廠家

PSRAM廠家也有很多,以AP用的最多。

華邦

64Mb

W956D6KBK 1.8V/1.8V 133MHz -40℃~85℃ 4Mb x16 CRAM-ADM - P

256Mb

W968D6DAG 1.8V/1.8V 133MHz -40℃~85℃ 16Mb x16 CRAM - P

W968D6DAG 1.8V/1.8V 133MHz -40℃~85℃ 16Mb x16 CRAM - P

英飛凌

有多種接口,容量可選最大64MB

Apmemory

PSRAM的老大哥,最大到64MB

三.PSRAM詳解

以APS256XXN-OBRx DDR Octal SPI PSRAM 為例進(jìn)行詳解。

2.1特征

電源

單電源供電,VDD和VDDQ內(nèi)部連接,電源范圍1.62到 1.98V。

接口

Octal SPI接口支持DDR,即雙邊沿傳輸。

支持x8模式(默認(rèn))和x16模式,可以通過配置寄存器選擇

X8模式,一個CLK傳輸2個字節(jié)數(shù)據(jù),x16模式一個CLK傳輸4個字節(jié)數(shù)據(jù),因為是雙邊沿傳輸。

默認(rèn)x8模式，可以通過寄存器MR8[6]=1改為x16模式。

性能

時鐘最大200MHz,所以最大速度是x8模式400MB/s,x16模式800MB/s。

組織

256Mb X8 模式

一個PAGE大小2048字節(jié) 總?cè)萘?2M x 8bits即32MB

行地址AX[13:0],列地址AY[10:0]

256Mb X16 模式

一個PAGE大小2048字節(jié) 總?cè)萘?6M x 16bits即32MB

行地址AX[13:0],列地址AY[9:0] 一個列地址對應(yīng)16bits即2字節(jié),所以地址范圍是[9:0].

不管什么模式頁總是2KB，x16模式頁地址只需要CA[9:0]因為單位是2B了。

刷新

自刷新,無需發(fā)送命令。

操作溫度范圍

TOPER = -40°C to +85°C 標(biāo)準(zhǔn)范圍

TOPER = -40°C to +105°C 擴展范圍

典型待機電流

Halfsleep模式,數(shù)據(jù)保持,@ 25°C時40μA

最大待機電流

1100μA @ 105°C

680μA @ 85°C

可以看到溫度對待機電流影響較大。

低功耗特征

分區(qū)自刷新PASR,

自動溫度補償自刷新（ATCSR）,內(nèi)部自帶溫度傳感器，根據(jù)溫度控制刷新率,溫度越高刷新率越高

軟件復(fù)位

支持軟件命令方式實現(xiàn)上電復(fù)位效果

引腳復(fù)位

不是所有封裝都有

輸出驅(qū)動能力

LVCMOS輸出,驅(qū)動能力可以通過寄存器配置

DM/DQS

寫操作支持DM

讀操作支持DQS,DM,DQS共用引腳。

讀寫延遲

可通過寄存器配置讀寫延遲時間

寫B(tài)urst長度

最大X8模式2048 x8bits ,X16模式1024x16bits

最小X8模式2x8bits ,X16模式2x16bits

即最大一個PAGE的大小,最小時一個總線寬度的呃倍，因為是DDR雙邊沿傳輸。

Wrap & hybrid burst

X8模式16/32/64/128/2K 單位Bytes

X16模式16/32/64/128/1K 單位Words(2B)

線性Burst命令

該命令即Burst固定為最大2KB

列地址自動遞增

可以通過寄存器配置使能RBX

即讀操作時到了頁邊界,頁地址自動遞增,而不需要重新發(fā)送頁地址。

2.2 引腳信號

重點需要理解DQS/DM0和DQS/DM1這兩個引腳信號。

DQS和DM復(fù)用

DM由主機驅(qū)動，表示寫時數(shù)據(jù)是否MASK掉的，為1表示MASK掉即不需要寫

DQS由設(shè)備驅(qū)動，表示數(shù)據(jù)是否有效的，DQS=1表示數(shù)據(jù)有效。

可以這樣理解，DQS和DM都是誰發(fā)數(shù)據(jù)由誰驅(qū)動，告訴接收方對應(yīng)的字節(jié)數(shù)據(jù)是否有效。

DQS是和DQ數(shù)據(jù)同時更新的。

2.3 框圖

可以看到VDD會進(jìn)入到內(nèi)部的電源調(diào)節(jié)器,可以進(jìn)行電源狀態(tài)控制,比如PDP和Halfsleep的管理。

PSRAM控制邏輯和IO控制部分會產(chǎn)生行地址,進(jìn)行列地址計數(shù)，分別進(jìn)行行列地址解碼，輸入到存儲陣列，選擇對一個存儲單元，通過Data I/O進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入和讀出。

命令地址，模式寄存器，輸入到控制邏輯序列，決定上面PSRAM控制邏輯和IO控制部分的邏輯。命令和地址,寄存器的讀寫不經(jīng)過Data I/O。

重點是時鐘的控制,CLK_int進(jìn)入時鐘緩沖和產(chǎn)生模塊,輸出CLK_IO給Data I/O用，輸出CLK_ctrl給控制邏輯用。

外部接口通過輸入輸出緩存和內(nèi)部交互，分別到Data I/O或者到控制邏輯部分，或者到CLK_int

2.4 上電復(fù)位初始化時序

上電復(fù)位有兩種方式,一種是通過RESET#引腳復(fù)位(有些封裝該引腳未引出),直接電源的上電也是這種方式;還有一種是發(fā)送Global Reset命令。兩種方式復(fù)位的效果一致。

上電復(fù)位的效果是所有寄存器恢復(fù)到默認(rèn)狀態(tài),RAM中的內(nèi)容不保證狀態(tài)。

有幾個時間點需要注意

1.復(fù)位完成后即可進(jìn)入SDR模式,既可以進(jìn)行單速率讀。

然后即可進(jìn)行正常的所有操作（如果是VDD剛上電則需要滿足后面相應(yīng)的條件才能進(jìn)行PDP和Halfsleep操作)。

2.VDD達(dá)到VDDmin至少要≥500uS才能進(jìn)行所有正常操作,除了Halfsleep之外。

3.VDD達(dá)到VDDmin至少要≥1mS才能進(jìn)行所有正常操作。

2.4.1 RESET#引腳復(fù)位

VDD/VDDQ必須達(dá)到VDDmin穩(wěn)定之后,才進(jìn)入初始化流程。

VDDmin可以從電氣參數(shù)中查看是1.62V.

VDD穩(wěn)定后進(jìn)入初始化的階段1,該階段必須保持CE#為高,且VDD保持穩(wěn)定，該階段至少要保持tPU≥150uS。

階段1之后的任意時候,在CE#為高時,都可以進(jìn)行RESET#的拉低來進(jìn)行復(fù)位,拉低時間需要tRP≥1uS

然后釋放RESET#,釋放時間要≥2uS。所有RESET#引腳復(fù)位至少需要3uS，復(fù)位過程對應(yīng)階段2。

2.4.2 Global Reset命令復(fù)位方式

在階段1之后,任意時間,可以發(fā)送0xFF指令進(jìn)行上電復(fù)位，即上圖的階段2部分。

CE#拉低tCSP之后CLK的第一個邊沿和第二個邊沿發(fā)送INST,即A/DQ[7:0]=0xFF,此時DQS/DM

不關(guān)心。注意A/DQ[7:0]的建立時間至少要tSP,即CLK上升沿tSP之前數(shù)據(jù)就要準(zhǔn)備好,數(shù)據(jù)保持時間需要tHD以上,即CLK下降沿之后數(shù)據(jù)至少還要保持該時間。發(fā)完INST之后,CLK再發(fā)送3個CLK,最后一個CLk的下降沿tCHP之后CE#開始拉高釋放,此時開始真正的復(fù)位。

CE#釋放拉高之后的tCSP2時間后,CLK不再關(guān)心可有可無。tRST時間后復(fù)位完成。

即必需tRST時間之后,CE#才能再次拉低，進(jìn)行后續(xù)操作。

相關(guān)時序參數(shù)值如下:

2.5 接口描述

2.5.1 地址空間

讀寫數(shù)據(jù)，地址必須是偶數(shù)對齊,即地址的A[0]必須為0, 所以x8模式是2B對齊,x16模式是4B對齊。讀寫寄存器無該要求,可以指定任意對應(yīng)可讀寫的寄存器。

2.5.2 Burst類型和長度

讀寫默認(rèn)是Hybrid Wrap 32 模式,可通過寄存器配置為x8模式的16B，32B，64B，2KB，x16模式的16words，32words，64words，1Kwords。

專有的命令還支持Linear Bursting模式。

Bursts長度寫最少要是x8模式2B，x16模式4B，讀無最小限制。

讀寫的最大Burst長度不受限制,但是一次傳輸不能超過tCEM的時間。

2.5.3 命令地址發(fā)送

CE#拉低之后,指令在第一個CLK的上升沿和下降沿被設(shè)備鎖存。從第二個CLK開始的2個CLK共4個邊沿發(fā)送4個字節(jié)的地址，都是邊沿設(shè)備鎖存數(shù)據(jù)。

所以3個CLK共6個邊沿發(fā)送命令+地址。命令實際只有一個字節(jié)，在上下沿保持不變發(fā)送的是同樣的內(nèi)容，地址4個字節(jié)。

2.5.4 命令表

指令和地址總是只使用A/DQ[7:0]不管是x8還是x16模式。

x16模式 列地址不需要CA10，CA[9:0]足夠，因為單位是2字節(jié)了。

Linear Burst 命令0x20,0xA0，Burst固定,不受MR8[2:0]的配置影響

只有Linear Burst讀支持RBX，即自動頁地址遞增。

如下圖

其中x表示關(guān)心可以任意值

A3 = 7'bx, RA[13] {未使用位保留}

A2 = RA[12:5]

A1 = RA[4:0],CA[10:8] { CA[10] 只在 X8 模式有}

A0 = CA[7:0] 注意CA[0]始終是0

MA = 模式寄存器地址

其中Sync Read和Sync WriteBurst的Burst由MR[8:0]配置

Linear Burst Read和Linear Burst Write固定為Linear Burst即頁大小，不受MR[8:0]影響，該模式支持RBX(需要寄存器配置使能)。

Mode Register Read和Mode Register Write支持從任意寄存器開始讀寫(和寄存器的讀寫屬性要對應(yīng))。

2.5.5 讀操作

CE#拉低后的開始3個CLK發(fā)送完命令和地址, 設(shè)備從第三個CLK的上升沿即發(fā)送A1時開始拉低DQS/DM。

延遲LC時間后,A/DQ[7:0]輸出數(shù)據(jù),由于內(nèi)部刷新機制,延遲時間可能是LC~LCx2之間。

第一個DQS/DM的上升沿表示設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)有效。

不管是x8模式還是x16模式,命令和地址都只使用A/DQ[7:0]，如果是x16模式則返回數(shù)據(jù)時A/DQ[7:0]輸出和A/DQ[7:0]完全一樣。

同步讀模式

( Synchronous Read )

1.CE#拉低表示一次傳輸開始,tCSP之后CLK開始拉高發(fā)送命令I(lǐng)NST

2.在CLK的上升沿之前tSP數(shù)據(jù)就要準(zhǔn)備好,即數(shù)據(jù)的建立時間

3.CLK下降沿之后tHD之后,數(shù)據(jù)還需要保持,即數(shù)據(jù)的保持時間

4.第4個CLK上升沿之后tCQLZ開始拉低,表示PSRAM收到指令了正在準(zhǔn)備數(shù)據(jù),此時主機還不能去讀數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)還未就緒。

5.A1對應(yīng)的上升沿之后的LC時間(默認(rèn)是5個CLK)，之后設(shè)備才會輸出數(shù)據(jù)，這里是讀延遲時間。

6.LC之后的第一個上升沿之后的tDQCLK時間后,DQS/DM才會拉高,表示PSRAM輸出數(shù)據(jù)有效 DQS/DM是和DQ數(shù)據(jù)同步更新的。

7.主機在LC延遲之后,等待DQS的上升沿，捕獲到DQS的上升沿后需要延時一段時間才能采樣，因為DQS的上升沿DQ也才同步更新，需要一個建立時間之后才能采樣數(shù)據(jù)，后面會講這個參數(shù)。

8.CLK的下降沿tCHD之后,CE#才能拉高。

9.CE#拉高之后tHZ時間后,數(shù)據(jù)線變?yōu)楦咦钁B(tài)。

10.CE#拉高必須至少tCPH時間.

11.一次傳輸至少需要tRC時間

12.一次傳輸CE#拉低的時間最長tCEM

線性Burst讀使能RBX

( Linear Burst Read with RBX (Starting address 0xFE in X8 mode and 0x3FE in X16 mode)

和Synchronous Read一樣,如果使能RBX,即(MR8[3]為1則在列地址跨頁邊界時,會由tRBXWait的時間延遲,然后頁地址自動遞增繼續(xù)讀。

自刷新導(dǎo)致的讀延遲增加

( **Variable Read Latency Refresh Pushout ** )

上圖上面部分沒有自刷新,延遲時間是3個CLK,下面部分有自刷新,所以延遲時間最大可達(dá)2x3=6CLK。

讀延遲和tDQSCK

( **Read Latency & tDQSCK ** )

以上可以看到tDQSCKmin和tDQSCKMmax差異可能導(dǎo)致,DQS/DM第一個數(shù)據(jù)出來的時間差半個CLK,即CLK下降沿鎖存數(shù)據(jù)變?yōu)樯仙劓i存數(shù)據(jù)。

tDQSCK最小2nS,最大6.5nS。

**讀時DQS/DM 和 DQ **時序

( Read DQS/DM & DQ timing )

1.DQS和DQ是同步更新的。

2.DQS上升沿之后的tDQSQ時間之后,數(shù)據(jù)才有效，因為需要數(shù)據(jù)建立時間。所以讀數(shù)據(jù)需要在DQS上升沿之后至少等待tDQSQ才能采樣。

3.讀數(shù)據(jù)是以DQS邊沿為準(zhǔn)而不是以CLK邊沿為準(zhǔn)了。

2.5.6 寫操作

同步寫操作

( Synchronous Write followed by any Operation )

1.tCSP,tSP,tHD,tCHD,tCPH,tRC等含義和讀一樣.

2.寫操作x8模式最少需要寫2字節(jié),x16模式至少需要寫4字節(jié)。

3.單字節(jié)的寫可以通過DQS/DM的MASK來實現(xiàn),DM=1表示對應(yīng)字節(jié)不寫。

4.指令地址總是只使用DQ[7:0], x16模式數(shù)據(jù)階段才會使用DQ[15:8].

5.數(shù)據(jù)階段DQ[15:8]和DQ[7:0]分別用DM[1]和DM[0]確認(rèn)是否MASK掉,為1則MASK掉不寫對應(yīng)對應(yīng)的字節(jié)。

寫時DQS/DM & DQ的時序

( **Write DQS/DM & DQ Timing ** )

1.CLK上升沿和下降沿建立時間tDS之前準(zhǔn)備數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)保持時間tDH。即在CLK邊沿前的tDS數(shù)據(jù)就要準(zhǔn)備好,tDS后數(shù)據(jù)才能釋放。

3.DM和DQ同步變化。

2.5.7 控制寄存器

寄存器讀

寄存器讀寫始終只使用A/DQ[7:0]

( Register Read )

1.tCSP,tSP,tHD,tRC,tCQLZ,tDQSCK,tCHD,tHZ,tCPH等參數(shù)和讀數(shù)據(jù)時含義一樣。

2.寄存器6只寫,所以上述表格沒有MA6

3.讀寄存器可指定任意可讀寄存器開始, 連續(xù)讀則D0,D1即開始寄存器和后一個寄存器重復(fù)返回,PSRAM驅(qū)動DQS會指定只有D0有效,所以主機會重復(fù)讀到D0,丟棄D1.

4.寄存器讀的延遲和讀數(shù)據(jù)的延遲一樣,MR0[4:2]決定。

寄存器寫

( **Register Write ** )

注意寄存器寫沒有延遲,即MA之后CLK的下一個邊沿即發(fā)送MR,也不需要DM。

寄存器內(nèi)容

寄存器如下，MA6只寫，MA1，2，3只讀，其他的可讀寫。

MR0[5] 讀延遲類型

延遲類型1表示固定的,0表示可變的。

這里的可變是因為有刷新所以加上刷新時間可能是LC~2xLC之間任意值,

固定就是干脆就直接固定為最大值2xLC，固定的話有時候可以,方便控制器端程序。

MR0[5:2] 讀延遲時間設(shè)置

延遲時間設(shè)置，不同的頻率需要設(shè)置不同的延遲時間,頻率大延遲時間大。

各種操作的延時

寫寄存器無延遲或者說延遲是1

讀寄存器是LC

寫數(shù)據(jù)延時為WLC

讀數(shù)據(jù)根據(jù)FL的設(shè)定可能是LC~2LC之間可變或者固定為2LC。

MR0[1:0] 驅(qū)動能力

MR1[7] 支持Halfsleep能力

只讀，表示是否支持超低功耗

MR1[4:0] 廠商ID

只讀，廠商ID

MR2[7:5] 測試狀態(tài)

只讀，表示是否測試OK,默認(rèn)的Die沒有測試時是FAIL狀態(tài),測試OK之后設(shè)置為PASS

MR2[4:3] 設(shè)備ID

只讀，設(shè)備ID，確認(rèn)是第幾代產(chǎn)品

MR2[2:0] 容量

只讀，確認(rèn)容量大小

**MR3[7] **RBX模式能力

只讀，確認(rèn)是否支持地址自動跨頁，如果支持則通過MR8[3]使能

MR3[5:4] 自刷新標(biāo)志

只讀，當(dāng)前刷新率，由MR4[4:3]和溫度決定

MR4[7:5] 寫延遲設(shè)置

寫延遲時間設(shè)置

MR4[4:3] 刷新頻率設(shè)置

刷新頻率設(shè)置

MR4[2:0] 分區(qū)刷新

16位模式只需要10位CA[9:0]既可以表示2K,1024x2B，所以不需要CA10

分區(qū)刷新可以減少待機功耗。

** MR6[7:0]**** Halfsleep設(shè)置**

MR8 [6] ** x8/x16模式選擇**

MR8[2] Burst類型 MR8[1:0] Burst長度

線性Burst命令自動頁大下Wrap，同步讀命令則根據(jù)MR8[1:0]設(shè)定 Wrap

不支持RBX，即不支持自動地址遞增的，一次只能最多讀一頁，超過繞回。

**MR8[3] **RBX讀使能

需要支持RBX的才能配置，MR3[7]可以確認(rèn)是不是支持RBX

2.5.8 Halfsleep模式

(Halfsleep **Entry Write (latency same as Register Writes, WL1) ** )

Halfsleep模式下數(shù)據(jù)保持,

寫寄存器MR6為0xF0進(jìn)入低功耗，寫完釋放CE后tHS時間后才真正進(jìn)入低功耗

(Halfsleep **Exit (Read Operation shown as example) ** )

CE拉低觸發(fā)退出低功耗，但是必須滿足拉低時間超過tXPHS再釋放，釋放時間超過tCSP，tXHS為CE拉低后退出低功耗需要的時間，此時CLK可有可無。

2.5.9 DPD模式 深度休眠模式

深度休眠進(jìn)入和退出和Halfsleep類似，命令不同，還有就是寄存器內(nèi)容和存儲內(nèi)容不保存，需要重新初始化。

( **Deep Power Down Entry ** )

( Deep Power Down Exit (Read Operation shown as example) )

2.6 典型參數(shù)

主要關(guān)注時序參數(shù),其他參數(shù)可以參考手冊

需要注意的是Halfsleep平均電流很小小于100uA,但是峰值電流可達(dá)25mA,持續(xù)幾十毫秒。

所以最好防止4.7uF到10uF的儲能電容到VDD和VSS之間。

直流特性參數(shù)

主要注意高電平要大于0.8VDDQ

低電平要小于0.2VDDQ

時序參數(shù)

需要注意滿足各個參數(shù)的最小值

四. 總結(jié)

PSRAM有類似SRAM簡單的接口,軟件驅(qū)動簡單,而又有DRAM高容量高性價比，所以在IOT領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。很多SOC，MCU，MPU都內(nèi)部封裝了PSRAM，用戶低成本即可使用大的RAM存儲。

PSRAM的時序比較簡單,主要根據(jù)各個時序圖理解每個時序階段,及其參數(shù)。重點要理解DQS/DM是誰驅(qū)動的,代表什么意思, 數(shù)據(jù)采樣的時間即DQS上升沿延遲數(shù)據(jù)建立時間之后采樣。

不同PSRAM芯片時序基本一致，了解一個即可。