Spartan-3A 的 DDR 2 接口數據采集

1 引言

DDR2(Double Data Rate2)SDRAM是由JEDEC(電子設備工程聯合委員會)制定的新生代內存技術標準，它與上一代DDR內存技術標準最大的不同：雖然采用時鐘的上升／下降沿同時傳輸數據的基本方式，但DDR2卻擁有2倍的DDR預讀取能力(即4位預存取技術)。此外，DDR2還增加ODT(內建核心終結電阻器)功能，內建合適的終結電阻，避免了以往因片外連接大片終結電阻帶來的制板成本增加。

基于FPGA的SDRAM控制器，以高可靠性、強可移植性、易于集成的特點，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實現DDR2控制器的設計。

2 FPGA與DDR2存儲器接口

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

差分時鐘線CK／CK為DDR2數據傳輸提供時鐘，在CK的上升沿和下降沿均有數據被觸發(fā)；雙向差分線DQS／DQS看作數據的同步信號，寫入時由控制器發(fā)出，讀取時由DDR2產生DQS向控制器發(fā)送，它與讀數據邊沿對齊而與寫數據中心對齊。DN為數據信號屏蔽位在突發(fā)寫傳輸時屏蔽不存儲的數據；RAS／CAS／WE作為命令信號線向DDR2發(fā)出讀取、寫人、刷新或預充電命令；片內終結信號線ODT控制是否需要DDR2進行片內終結。
3 DDR2控制器的設計原理

基于FPGA的DDR2控制器設計是由時鐘生成模塊、存儲控制模塊和讀寫數據接口模塊組成如圖2所示。

控制器中所有模塊時鐘均來自于時鐘生成模塊，它由數字時鐘管理器(DCM)控制，輸出90°、180°和270°時鐘。該模塊還包含延遲校準監(jiān)視器，用于校準讀取數據(DQ)對讀取數據選通脈沖(DQS)的延遲，以便讀取數據選通脈沖邊沿能夠正確對齊DQ有效窗口的中間位置。
讀寫數據接口模塊是整個控制器設計的關鍵，它負責將用戶寫入的數據DQ和DOS按照DDR2 SDRAM時序要求發(fā)送給DDR2，DDR2在DQS的每一個時鐘沿采集寫數據。在讀取數據時，DDR2 SDRAM將DQS和相關數據發(fā)送到與DQ對齊邊沿的FPGA。FPGA將接收到的DQS信號經過延遲校準，作為內部存儲讀數據的FIFO的寫時鐘。FPGA為DDR2的每個數據位配置一對讀寫異步的FIFO，每個數據位都輸入到上升沿(FIFO0)和下降沿(FIFO1)的FIFO中，實現原理如圖3所示。

存儲控制模塊用于產生DDR2所需的地址和命令信號。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)、寫數據(User_input_data)和寫地址(User_address)信號，在最后一個寫地址發(fā)送突發(fā)操作完成信號(User_burst_done)，并保持2個時鐘周期有效下終止寫操作，突發(fā)寫時序如圖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(User-burst_done)，并保持2個周期有效下終止讀操作，突發(fā)讀時序如圖5所示。

4 DDR2控制器的設計及應用

為了縮短開發(fā)周期，采用Xilinx的MIG軟件工具直接生成DDR2控制器設計模塊，包括HDL代碼和約束文件。用戶可在MIG的GUI圖形界面選擇對應模板、總線寬度和速度級別，并設置CAS延遲、突發(fā)長度、引腳分配等關鍵參數。如果設計者所選器件與MIG所列模板不相符，可在代碼生成后靈活修改代碼，達到系統要求。代碼添加到工程前需硬件驗證，采用MIG自動生成的測試模塊進行驗證。該模塊向存儲器發(fā)出一系列的寫入命令和讀取命令，并對寫入數據和讀回數據進行比較，通過比較信號(led_error)驗證控制器的正確與否。用ChipScope抓取的讀數據和相關控制信號時序分別如圖6和圖7所示，讀寫比較信號(led_error)在檢測到讀寫數據相等時輸出'0'電平。

在硬件驗證通過后，把控制器代碼導入到系統工程中，設計者只需輸入相應命令(包括讀、寫和初始化命令)，控制器模塊將自動產生命令和控制信號并按照DDR2的時序要求送至DDR2，命令發(fā)送完畢提供給用戶一個命令應答信號(User_cmd_ack)，設計者根據這一信號判斷是否可以發(fā)送下一個命令。至于自動刷新、激活和預充電命令則由控制器自動完成，無需用戶干涉。

5 結束語

通過MIG工具輔助設計，實現500 M／s帶寬的DDR2接口數據采集，占用FPGA資源分別為15％IOB資源，17％邏輯Slice資源和2個DCM。在FPGA中實現DDR2控制器，節(jié)省功耗和空間，并縮短系統開發(fā)周期，滿足大多數低成本系統設計要求。