DDR4 4.27 Self refresh Operation
详解
一、基本概念与功能
自刷新 (Self-Refresh) 是 DDR4 SDRAM 的关键低功耗功能，使芯片能在系统其他部分断电或休眠时，自主维持存储数据的完整性，无需外部时钟和刷新命令。
- 核心机制：DRAM 内部集成独立时钟源和刷新计数器，完全自主执行刷新周期，不依赖外部控制器
- 应用场景：系统休眠 (S3/S4 状态)、移动设备待机、电源故障备份等低功耗场景
- 功耗表现：功耗降至正常工作的10% 以下(~0.1mW)，显著延长设备电池寿命
二、进入自刷新的条件与命令
1. 进入前的必要条件
- 所有 Bank 必须处于 IDLE 状态（已执行 PRE ALL 命令并满足 tRP 时间）
- 无正在进行的突发传输
- 所有时序参数（tMRD、tMOD、tRFC 等）均已满足
2. 自刷新进入命令 (SRE)
plaintext
SRE命令定义：时钟上升沿时，CS# = LRAS#/A16 = LCAS#/A15 = LCKE = LWE#/A14 = HACT# = H
关键：SRE 命令前后必须各有一个 DES (取消选中) 命令，确保总线稳定
三、自刷新模式内部运作
1. 核心变化与控制
| 功能 | 自刷新状态 | 正常工作状态 |
|---|---|---|
| 时钟 | 内部低频振荡器提供 (禁用外部时钟) | 外部时钟驱动 |
| 刷新源 | 内部计数器生成刷新地址 | 控制器发送 REF 命令 |
| ODT 功能 | 自动禁用 (上拉至高阻) | 正常可用 |
| DLL 状态 | 关闭 (省电) | 开启 (数据同步) |
| 控制信号 | 仅 CKE 和 RESET 有效 | 所有控制信号有效 |
| 电源需求 | 仅核心电路和 VREF 保持供电 | 全部电路供电 |
| 刷新周期 | 根据温度调整 (默认 7.8μs) | 固定 tREFI 周期 |
2. 内部刷新机制
- 内置定时器：生成精确刷新间隔，无需外部时钟
- 行地址计数器：自主递增，依次刷新所有行
- 片上温度传感器：实时监测温度，动态调整刷新频率（温度每升高 10°C，刷新率约增加 1 倍）
- VREF 要求：必须保持有效 (VRefCA 和可能的 VrefDQ)，确保数据稳定性
关键：进入自刷新后，除 CKE 和 RESET 外，所有外部控制信号均被忽略，芯片进入 "自治" 状态
四、自刷新模式的功耗优化特性
1. 低功耗自动自刷新 (LP ASR)
DDR4 支持多种温度范围的 LP ASR 模式，通过 MR2 寄存器 (A6=1、A7=1) 启用，根据芯片温度自动选择最优刷新频率，平衡数据保持与功耗
2. 温度补偿自刷新 (TCSE)
- 内置温度传感器实时监控，温度 > 85°C 时自动增加刷新频率（如从 7.8μs 缩短至 3.9μs）
- 防止高温下电荷泄漏加剧导致的数据丢失，同时避免低温时过度刷新造成的功耗浪费
3. 自刷新功耗数据
- 标准自刷新：约 0.1mW（正常工作的 10% 左右）
- 增强型自刷新 (ESR)：比标准模式再降低约 20.2% 功耗
- 低功耗自刷新 (LSR)：比标准模式再降低约 28.2% 功耗
五、退出自刷新流程
退出命令 (SRX)
- CKE 信号先回到高电平（时钟必须稳定）
- SRX 命令格式：CS#=L，其他控制信号组合
退出后的时序要求
| 命令类型 | 等待时间 | 可执行命令 |
|---|---|---|
| 不依赖 DLL | tXS(≥tRFC+10ns) | ACT、PRE、REF、SRE 等 |
| 依赖 DLL | tXSDLL | RD、WR 等 (需 DLL 重新锁定) |
| 特殊命令 | tXSFast | ZQCL、ZQCS、特定 MRS 命令 |
关键时序参数：
- tXS：退出到首个有效命令的最小延迟，与芯片容量相关（容量越大，tRFC 越大，tXS 越大）
- tXSDLL：退出到 DLL 重新锁定的时间，期间 ODT 必须保持低电平
退出后的操作要求
- 必须执行一次 REF 命令后才能再次进入自刷新状态（防止 CKE 上升沿可能导致的内部刷新事务丢失）
- ZQ 校准：根据温度和电压变化，可能需要执行 ZQCL 或 ZQCS 命令以重新校准阻抗
- ODT 重新使能：在 tXSDLL 时间后自动恢复，如启用 RTT_PARK 则异步设置
六、自刷新与自动刷新 (Auto-Refresh) 对比
| 特性 | 自刷新 (Self-Refresh) | 自动刷新 (Auto-Refresh) |
|---|---|---|
| 控制方 | DRAM 自主管理 | 内存控制器发出 REF 命令 |
| 时钟源 | 内部振荡器 | 外部时钟 |
| 功耗 | 极低 (~0.1mW) | 较高 (正常工作的 20-30%) |
| 适用场景 | 系统休眠、低功耗状态 | 正常工作时的定期刷新 |
| 外部接口 | 除 CKE 外全部禁用 | 所有接口正常工作 |
| 刷新频率 | 温度补偿自适应 | 固定 tREFI (通常 7.8μs) |
| 进入条件 | 所有 Bank 必须 IDLE | 仅需所有 Bank 预充电 |
七、自刷新模式的应用场景
- 服务器休眠状态 (S3/S4)：减少待机功耗，保持内存数据，快速唤醒
- 移动设备待机：延长电池续航，特别是 LPDDR4 的 PASR (部分自刷新) 功能，仅刷新需要保留数据的存储体
- 系统异常断电保护：在电源故障时维持数据完整性，等待 UPS 切换
- 测试与调试：用于芯片测试和功耗分析
八、总结：自刷新的核心价值
DDR4 自刷新操作通过将刷新控制权从控制器转移到芯片内部，实现了 "自治式" 数据维护，使系统在低功耗状态下仍能保持内存内容。其核心优势在于：
- 极低功耗：功耗降至正常工作的 10% 以下，大幅提升移动设备和服务器休眠效率
- 温度自适应：通过 TCSE 和 LP ASR 功能，根据环境自动优化刷新策略，兼顾数据安全与能效
- 系统设计简化：控制器无需管理休眠期间的刷新操作，降低软件和硬件复杂度