Spartan-3A 的 DDR 2 接口數(shù)據(jù)采集

1 引言

DDR2(Double Data Rate2)SDRAM是由JEDEC(電子設(shè)備工程聯(lián)合委員會(huì))制定的新生代內(nèi)存技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它與上一代DDR內(nèi)存技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)最大的不同：雖然采用時(shí)鐘的上升／下降沿同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的基本方式，但DDR2卻擁有2倍的DDR預(yù)讀取能力(即4位預(yù)存取技術(shù))。此外，DDR2還增加ODT(內(nèi)建核心終結(jié)電阻器)功能，內(nèi)建合適的終結(jié)電阻，避免了以往因片外連接大片終結(jié)電阻帶來的制板成本增加。

基于FPGA的SDRAM控制器，以高可靠性、強(qiáng)可移植性、易于集成的特點(diǎn)，逐漸取代以往的專用控制器而成為主流解決方案。本文采用Xilinx公司的Spartan-3A系列FPGA和Hynix公司的DDR2 SDRAM器件HY5PS121621實(shí)現(xiàn)DDR2控制器的設(shè)計(jì)。

2 FPGA與DDR2存儲(chǔ)器接口

圖1所示為DDR2與FPGA的外圍接口連接圖，DDR2的信號(hào)線分為：時(shí)鐘信號(hào)線CK／CK ；數(shù)據(jù)信號(hào)線Data／DQS／DM；地址信號(hào)線Address／BA1／BA0；命令信號(hào)線RAS／CAS／WE；控制信號(hào)線CS／CKE／ODT。FPGA除與DDR2的所有信號(hào)線相連外，還引出外部環(huán)回信號(hào)線(圖中虛線所示)，此信號(hào)輸出送至輸入輸出模塊(IOB)，以補(bǔ)償FPGA與存儲(chǔ)器之間的IOB、器件和跡線的延遲。

差分時(shí)鐘線CK／CK為DDR2數(shù)據(jù)傳輸提供時(shí)鐘，在CK的上升沿和下降沿均有數(shù)據(jù)被觸發(fā)；雙向差分線DQS／DQS看作數(shù)據(jù)的同步信號(hào)，寫入時(shí)由控制器發(fā)出，讀取時(shí)由DDR2產(chǎn)生DQS向控制器發(fā)送，它與讀數(shù)據(jù)邊沿對(duì)齊而與寫數(shù)據(jù)中心對(duì)齊。DN為數(shù)據(jù)信號(hào)屏蔽位在突發(fā)寫傳輸時(shí)屏蔽不存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)；RAS／CAS／WE作為命令信號(hào)線向DDR2發(fā)出讀取、寫人、刷新或預(yù)充電命令；片內(nèi)終結(jié)信號(hào)線ODT控制是否需要DDR2進(jìn)行片內(nèi)終結(jié)。
3 DDR2控制器的設(shè)計(jì)原理

基于FPGA的DDR2控制器設(shè)計(jì)是由時(shí)鐘生成模塊、存儲(chǔ)控制模塊和讀寫數(shù)據(jù)接口模塊組成如圖2所示。

控制器中所有模塊時(shí)鐘均來自于時(shí)鐘生成模塊，它由數(shù)字時(shí)鐘管理器(DCM)控制，輸出90°、180°和270°時(shí)鐘。該模塊還包含延遲校準(zhǔn)監(jiān)視器，用于校準(zhǔn)讀取數(shù)據(jù)(DQ)對(duì)讀取數(shù)據(jù)選通脈沖(DQS)的延遲，以便讀取數(shù)據(jù)選通脈沖邊沿能夠正確對(duì)齊DQ有效窗口的中間位置。
讀寫數(shù)據(jù)接口模塊是整個(gè)控制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它負(fù)責(zé)將用戶寫入的數(shù)據(jù)DQ和DOS按照DDR2 SDRAM時(shí)序要求發(fā)送給DDR2，DDR2在DQS的每一個(gè)時(shí)鐘沿采集寫數(shù)據(jù)。在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，DDR2 SDRAM將DQS和相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到與DQ對(duì)齊邊沿的FPGA。FPGA將接收到的DQS信號(hào)經(jīng)過延遲校準(zhǔn)，作為內(nèi)部存儲(chǔ)讀數(shù)據(jù)的FIFO的寫時(shí)鐘。FPGA為DDR2的每個(gè)數(shù)據(jù)位配置一對(duì)讀寫異步的FIFO，每個(gè)數(shù)據(jù)位都輸入到上升沿(FIFO0)和下降沿(FIFO1)的FIFO中，實(shí)現(xiàn)原理如圖3所示。

存儲(chǔ)控制模塊用于產(chǎn)生DDR2所需的地址和命令信號(hào)。DDR2在正常的讀寫操作前要初始化，因此需向DDR2發(fā)送初始化命令，待初始化完成后才能發(fā)送讀寫命令。對(duì)DDR2 SDRAM的讀寫訪問為突發(fā)模式。突發(fā)寫操作需向DDR2提供寫命令(User_command)、寫數(shù)據(jù)(User_input_data)和寫地址(User_address)信號(hào)，在最后一個(gè)寫地址發(fā)送突發(fā)操作完成信號(hào)(User_burst_done)，并保持2個(gè)時(shí)鐘周期有效下終止寫操作，突發(fā)寫時(shí)序如圖4所示。突發(fā)讀操作需向DDR2提供讀命令(User_comm-and)和讀地址(User-address)，在最后一讀地址發(fā)送突發(fā)完成信號(hào)(User-burst_done)，并保持2個(gè)周期有效下終止讀操作，突發(fā)讀時(shí)序如圖5所示。

4 DDR2控制器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

為了縮短開發(fā)周期，采用Xilinx的MIG軟件工具直接生成DDR2控制器設(shè)計(jì)模塊，包括HDL代碼和約束文件。用戶可在MIG的GUI圖形界面選擇對(duì)應(yīng)模板、總線寬度和速度級(jí)別，并設(shè)置CAS延遲、突發(fā)長(zhǎng)度、引腳分配等關(guān)鍵參數(shù)。如果設(shè)計(jì)者所選器件與MIG所列模板不相符，可在代碼生成后靈活修改代碼，達(dá)到系統(tǒng)要求。代碼添加到工程前需硬件驗(yàn)證，采用MIG自動(dòng)生成的測(cè)試模塊進(jìn)行驗(yàn)證。該模塊向存儲(chǔ)器發(fā)出一系列的寫入命令和讀取命令，并對(duì)寫入數(shù)據(jù)和讀回?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行比較，通過比較信號(hào)(led_error)驗(yàn)證控制器的正確與否。用ChipScope抓取的讀數(shù)據(jù)和相關(guān)控制信號(hào)時(shí)序分別如圖6和圖7所示，讀寫比較信號(hào)(led_error)在檢測(cè)到讀寫數(shù)據(jù)相等時(shí)輸出'0'電平。

在硬件驗(yàn)證通過后，把控制器代碼導(dǎo)入到系統(tǒng)工程中，設(shè)計(jì)者只需輸入相應(yīng)命令(包括讀、寫和初始化命令)，控制器模塊將自動(dòng)產(chǎn)生命令和控制信號(hào)并按照DDR2的時(shí)序要求送至DDR2，命令發(fā)送完畢提供給用戶一個(gè)命令應(yīng)答信號(hào)(User_cmd_ack)，設(shè)計(jì)者根據(jù)這一信號(hào)判斷是否可以發(fā)送下一個(gè)命令。至于自動(dòng)刷新、激活和預(yù)充電命令則由控制器自動(dòng)完成，無需用戶干涉。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過MIG工具輔助設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)500 M／s帶寬的DDR2接口數(shù)據(jù)采集，占用FPGA資源分別為15％IOB資源，17％邏輯Slice資源和2個(gè)DCM。在FPGA中實(shí)現(xiàn)DDR2控制器，節(jié)省功耗和空間，并縮短系統(tǒng)開發(fā)周期，滿足大多數(shù)低成本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。