SDRAM功耗计算分析

1、sdram/ddr功耗计算标签：工作存储嵌入式百度测试2012-04-18 22:58 4907 人阅读 评论（5）收藏 举报 耳分类：硬件（151 ）/|版权声明：本文为博主原创文章，未经博主允许不得转载。在进行嵌入式系统设计过程中总功耗的计算是一个无法绕开的问题，在总功耗的计算过程中尤其以 SDRAMDDR DDR涛动态随机存 储器件的功耗难以把握和计算。本人在进行电源 IC选型时采用估算措 施，一般嵌入式系统总电流不会超过 400mA所以选择电源IC只要在500mAW上即可；电子工程师在选电源IC计算系统总功耗时，总是会在 计算DRA解件功耗时难以下手而不得不对其进行估算。本人本着将革命

2、进行到底的精神，在闲暇时间百度一些相关资料后进行了学习总结。1.DDR功耗计算现以DD昉例进行功耗计算，此过程可以推广到 SDRAM口 DDR2 功耗计算。DRAM#件功耗难以准确计算的原因是由于该类器件工作状态 繁多，且系统运行过程这些状态还不断切换，这些都为功耗的计算造成 了阻碍。具体计算内存的功耗不是很容易的事，我们计算的结果只是一 个假定工作条件下的平均值。为了估算内存芯片功耗，首先必须了解芯 片的一些基本功能，下图是 DD两能模块图：Write Data Register 2 tet Prefetch UNIBufferCLK一QCE /CS /RAS /CAS一/WE UDQM-

3、LDQM一AfriarBAD BAIModeRegister从上图可以看到，每个 BAN脚有一个SENSE AMPLIRER供出放大器）,在进行读、写、自动刷新等操作时，需要先把存储阵列中的数据进行缓存后才能进行操作，SENSE AMPLIREFRS是这个缓存器。DD达致有以下几种工作状态，特总结如下：ACTIVE （激活）、Precharge （预充电）、读、写、自动刷新、自刷新ACTIVE （激活）用简单的一句话来描述，激活命令的作用就是将选择地址的bit信号送入读出放大器，以供下一步的读或写做准备。从字面上来理解，就是将存储矩阵电路中位信号发送到读出放大器以供外设使用，也就是将存储信号激

4、活。预充电（Precharge ）指关闭所有行地址线（rowline ）,所有列地址线（bitline ）接1/2Vcc源 经过足够长时间冲或放电使列地址电容电压值达到 1/2VCC的动作。对不同列地 址进行读或写都要进行新的预充电。芯片上电后最先做的动作就是预充电，它是其他操作的基础。读芯片上电确定地址，进行预充电再进行激活处理将数值发送到读出处理器， 再发送到I/O 口；这就是读操作的全部流程。写芯片上电确定地址，进行激活处理将外设传递数据保存到读出处理器，再通 过预充电操作将数据压入存储矩阵电路。以上对sdram类器件的基本操作做了简要描述，这样对计算该类功耗计算起 到了非常好的撬动作用

5、。计算内存电源消耗的最重要的参数是操作电流Idd参数，这些值在标准的内存芯片参考手册上都可以查到。下面的列表介绍 了 DDR内存芯片的各种Idd电流的具体含义：Operating Current*;Onc bank： Active - Precharge;ttXMCM01*1)； g*0H and DQS inputs changing twKei per dock cyde；皿心占 and <ontroinpuls dunging once per dock tydeDDOOperating Current:.Qvm tank; Active 二 Rjad = Predwc;Burst

6、 ungth-2； tffO=trrnn); tCXr Emm)；必re$5 a<xl cchcrf inputs changing wko pe i cycleIDDJPrKharffe Power Down Standby Curreht; All tianks idle; ftwer dowm mode; (if =LOw,10(min)DOJIPIdle StarKlby Cumwit:/C5= HQ瓦 Alt tunlu 冰；tCK=lC*(m«);CKE -H*gh; address and ccMitJoi inputs chan91ng once per doc

7、k Qde.Vm7 贿B DQ, DQS and DMtoo*Id* Qut SUndby Current：FCS>L*Mmi0;邮 books *dK； CXE*v：Mmin);and other coobraJi inputs $tawe, vmvreffbrOQ DQSindDMD02QActrvc Power Dawn Stiirdby Current:One banfc actrve； Riwet down mode; CXE.Low. tOf-tO4min)100JPActhrt $t«nby Current：pcs HIGH; CKBHJGH, One 际匕 Ac

8、tive4ttbarge； tLftASInkix); UXMBmiZ；：DQ DMmxJ OQS mpvts chang-rgper doci cyck;and oiher control ici(mx$ changing once per clock cycleIQCUWOpeiating Current:加rst=2; Rc«S; Continuous burst; One bank aarve： Address and Control inputs charting once per jdoc* Ode； tcx-tac(nwi); <X/Z=OmAOperating

9、Current:Buf5t"2; Wttes; Contmuous burst; One bank acme; Address and contro) mpuis dungbng once per |oMk cye； KtEnMn* DQ, DMantf DQS iflpute changing Me per dock cycleIaX图Auto Refresh Current;131砒1仙0 B'tCXfbr OOftiOO 机 lOOMhj, 10*i£Xfor DDR266A & DDft2666 at 133Mm； drstritwtcd由更前总口(

10、用句的情VCXH DDR400 dl JOOMru1DD5Se* ReFresh Current:CUE =» < D.2V; Erteimal clock on;, tCX=t£Xmln)1DD61DD7Four bank mierlejYirtg with Bi=4. Refer to (he falsvtfig age 侬 *33 te$l cwxlrtw对应的中文表格如下图:;电流标称l:作的条件，参数f 1 111 Av IP cP: wkti gc.lljnk 1Ji /-ii: J. /, I Tx,liningDQJ>M,DQS吁W冲"

11、内状忠变轮 次增可如片制解号时两个附*曲变 汰片(1 '1. - Actnc-Rc.id-PncTharyc,检周期Tju %*"胞和弗酬个Bank 1件,究玳。惟“2, Acthv,今最小Hf 借2忸个时件改芟次.的密电猿先电状春中*力电机CKE为低电卡.新行B«仙篁闱.冷国也阖，用光电状态中,StMdby模式CK£离电警仃效.片述相“未通中.所有Bink 1空小|hnvr照去电;如 做温状态中.仃电展/£ ( KF为鼠叱甲，1卜日喃k曜沾, K它A事HlliL 釉猛Vt占"。SMndby IQA. Acd” 到 Prwha便.CKE

12、 为陪电平* JBink1 . AHih 比 211一； ：一 ： L次.地It和栉制L；号械，时忡盘出L*iuW XJ.l>M.DQS用卞，甲中内秋.力生化网 次0世什他;d i火批竹,赵发阳史为2.比“火发. 个bank M 时仲改变次.1 *地咕和棹制信号出个【DDT*拉(1电次，笃操突发匕电力短艮可实发.个E虹Mk 1 f封钟表变次.DQQM.DQ&衬个时钟内状态变化西次.E.电Jt和投朝储心川个1I DPSI2举大n动明精1良i% rBt rK( (mint.1 Rim；川T*i -7*1255* XKZin、巾的囹口 shwi 只仃 心“1l|)rr内阍自刷新电油,分

13、为尿椎考片和蛙功比芯片的肿情沅.hwx用伸电就,所仃Bwtk交储共辑怵.突发长战为九Tuc-Titcfmmb地址聊控制号R 在执打R=d和Wnic指令时力山妾状态.操作电流可分为如下几部分：后台电源消耗(Background Power)-对应静态功耗CKE低电平节能状态的预充电模式：P(Pre_down)=Idd2p*VDDCKEt效 Standby 状态的预充电模式：P(Pre_stby)=Idd2f*VDDCKE低电平节能状态的激活模式：P(ACT_down)=Idd3p*VDDCKE 有效 Standby 状态的预充电模式：P(ACT_stby)=Idd3n*VDD 自动刷新电流：P

14、(REF)=(Idd5/6 - Idd2p)*VDD 激活时操作电流(Activate Power )Active 至U Precharge 操作过程中的消耗：P(ACT)=(Idd0-Idd3n)*VDD*Trc(spec)/TACT(actual)读写操作电流(Read/Write Power )写操作的功耗：P(wr) =(Idd4w - Idd3n)*VDD*WR%读操作的功耗：P(rd) =(Idd4r - Idd3n)*VDD*RD%读操作时 I/O 功耗：P(DQ) =(Vout * Iout)*N*RD%其中WR% RD蜥写/读操作在ACT周期中占白比重，Vout和Iout指D

15、Q管脚 的输出电压和电流，N指芯片上DQffiDQS勺数目。需要注意的是，芯片厂商的 Datasheet上提供的数据通常都是在比较苛刻的条件下测量的结果比如 VD此工作在额定最大电压下(对DDRfE说一般为2.7V) 遇到这种情况我们就要采取一些处理措施，办法就是根据实际电压和频率的变化，对计算的结果通过乘上变化因子进行调整：PPRe PDNJ = p(PRE PDN * (use(max spec Vod)iPACT PDM) = p(ACT PDN> > (me Vod)2$pec Vdo)2P(PRE STBYJptPRE STBY) * (ute lul0 _TspFTre

16、qT (mJx 4pc-VD>HP(ACT 5TBY)»p(ACT STBY> * Cute freq) * <use Vod)j ($pe< freq)$pec Vnt>>7P(ACT) = p(ACT) * (uie V&oH (mx specP(WR) = p(WR) * 豆里之仕*0) *fuse /口加Bpec freq (max spec Vdd)2P(RD) = p(RDJ* 处/依毋 .”口严(spec freq (ni<ut ipec Vdd)P(DQ) - p(DO) * (u&总 freq) Upec f

17、req) P(REF) p(REF) (use V)2 <nMx $pec经过调整之后，得到的就是在实际工作电压和频率下的功耗。当然，这时候计算出来的仅仅是各部分工作状态下相对独立的电源消耗情况，如果综合起来计算整个芯片的功耗，则不是简单地把各项相加就行，还要合理考虑各种状态所占 的比例等实际问题，比如：所有 Bank预充电占的时间比例 BNK_PRE加于 预充电状态中 CK日氐电平占白比例 CKE_LO_PRE%于激活状态中CKE处于 低电平的比例CKE_LO_ACT%o这时，相应的公式要调整为： 4八口 小阳"DTHNK PRP%*C KI I O PR1 Pg STBY：

18、 hxw'VDDt BNK PRE%, ( KKE LO PRE%) Pim I PMI, !1|*VDI>*( l-BSK PR(：%) CKLJ.Q.ACT， P.ut sun,底小7DD f 1-E1XK PRE-”，* (MKK IO MT"单个芯片电源消耗的计算方法学会之后，我们还可以类推到整个内存模块的功耗 计算。下面我们就举例来分析一下4根1G的DIMME常工作时的电源消耗，芯片 采用 Samsung K4H560838D DDR333 64MX4芯片。IDDO90IDD1120IDD2P3IDD2F25IDD2O20IDD3P35IDD3N55IDD4R

19、170IDD4W170IDD5180»DD6Normal3Low power1,5IDD7A325假设的系统工作条件如下:DRAM Usage Conditions in the System EnvironmentSyitwn VCC2.6VSyfkm CM Frtqmncy格3 33WZODR SORam Output PoMtr p«rDOctWThu匕Per c>ehljQie-d f I me thal jJI b "山零the D RAM副也 Inptecti«ged stMe4EBNK PR£，Tht& thtH b

20、jri1m lotwhich CKE b hvltf LOW小.OURE*Tht ptrccnfgt & th* jiltjft on« bjrA Jdiv* tfn« 1or*Al3 which C KE « h«44 LOWOE _IO AC TiThtlitntAC T conwindf to rsOflAMfihckidtF ACT t©4r itritbjrtcs ifttM sjmt DRAM dtvbce)3hfterTh( ptrctnf«Qt M clock cyclef which * outputtnod

21、jfj Korn Iht DRAMRO%Thi ptmntjQ* of clMk cycles which 力pirfbng wrftt diti to the DRAM1耽WAM(« Fr+qMgu 力闻ternl. a 七。, . j j.r:m带入相应的公式即可算出芯片的功耗:ppfte_po«) *mWPPPE_SIBr)46mWP(A£T_PDNJ9?mWPfACT srBY)ELmWPW)139mWp(a<t)43 9mW叩a399iTlWPM799mWP的10 3fmW916Tq： *! W pOAflf43 9iy.t r.idJ-Vri!f

22、- iCPrtf1X1total ReMmWf： ) ,筋&Power Consumption Sum/iarv 一 一 Jccnsmprlon sriphporr -zc'nsuaption2.sdram功耗计算SDR勺功耗计算和DDR基本相似，主要的区别在于以下几个方面:l> SDR芯片府naushwi"中"濯驻I的和隔加蚓只们3和2卜 在计。Power Down模式卜的吊态功耗葬使用电洸1皿.曲计。Active 松态卜龌使用1叩>电流.力SDR没。1Mo电濯参数提佻仙小我幻可以近觎的砧算Igo的做工ltt»- foot- 【DIM

23、【MM ) * 2 , kliw3) SDR3故眄妒俄fl电波只h个例/H谭印豆段f1时均便即 这个电潦值.4)SDR#DDtt t!(据m；输出旧郴DM中鱼捱逋过 个电祺接 Vm itn时取力豳他化流置处情况* ill SDR通常见接 个春件的负植 P，eKa*VI 心*fh/2后面是从美光网上下载的功耗计算文件，感兴趣的可以自己分析McronSDRAM Configuration and Data Sheet ParametersDRAM即缥NtimMr M DQs 啊 DRAM1299 4E>pe0d GrMValuer ihot 国叫 bo updated are shown i

24、n green. These vulues oretahen trorri Ihfl device dab shet.HeronDRAM Usage Conditions in the System Environment7System CK修建吗匚W iOuipot Lud ifl 帛闾Ml15两PifCffMigtIhjfl M 卜铝仃 岫 th( ORAMartui a pr«htfg*d 喇H*mn* pr千 cf th* all鹏田/(»m( fCff#h CKE n LOWTHM tn« Jt i«Ht 第*adirttime 仙 喈Mh C

25、KE 博 UM LOW0W,二二TM *w乎 Mne bitireeo ACThte3Mh 帕 thit CRAM l«X kddH ACT 3 MflW Of 岫f*厢 bankt tn ihfdw«C* LIMhiDw pwc*rt»9» & clwk eye In wfKh wtMtWHE i出碗才 fcWn ht DfWJ40%The Md. cioct cycles "Rtch 帮f inpmi伯 t府 DRW *mV*luo iihiy up4f>4 锚own irt从上表可知：其测试电压为3.3V,时钟频率为133M,系统输出电容负载为 25pF;所有片内BANK!于预充电的时间占总时间的 70%当CKEW效时（即时能时钟彳t号时）所有片内BANK1于预充电的时间即占其有效总时间的80%激活bank的active命令平均时间为120ns;读取SDRA附间占时钟有效时间的 40% 而写SDRAMS间占时钟有效时间的15%这样时钟有效传送数据时间比例为 55%即时钟有45炮于空闲状态，也就是说数据总线有 45喊有传送数据；wDUl Uw4IJtVA