采用FPGA IP實(shí)現(xiàn)DDR的讀寫控制的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

摘要： 本文采用LatticeXP系列FPGA結(jié)合IP解決DDR RAM的讀寫控制。并且在硬件上面進(jìn)行了實(shí)際測試。
關(guān)鍵詞： 嵌入式系統(tǒng)；DDR RAM；FPGA；IP；LattcieXP

前言

隨著高速處理器的不斷發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣泛，數(shù)字信號(hào)處理的規(guī)模也越來越大，系統(tǒng)中RAM規(guī)模不斷增加，比如視頻監(jiān)控、圖像數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域，圖像處理的實(shí)時(shí)性對(duì)RAM帶寬的要求不斷增加，傳統(tǒng)的SDRAM在帶寬上已經(jīng)逐漸無法滿足應(yīng)用要求，DDR SDRAM(雙倍速率SDRAM)采用在時(shí)鐘CLK信號(hào)的上升和下降沿，雙沿做數(shù)據(jù)傳輸；比傳統(tǒng)的SDRAM只在時(shí)鐘上升沿傳輸?shù)姆绞?，傳輸帶寬增加了一倍。DDR RAM已開始廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中，正逐步取代傳統(tǒng)的SDRAM。

DDR RAM操作速度的提高，對(duì)設(shè)計(jì)者來說，對(duì)控制時(shí)序的設(shè)計(jì)有了更高的要求；并且，DDR內(nèi)存采用的是支持2.5V電壓的SSTL-Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)，不再是SDRAM使用的3.3V電壓的LVTTL標(biāo)準(zhǔn)。在很多的處理器上面并不帶有DDR RAM控制器，這對(duì)設(shè)計(jì)者來說，使用DDR RAM難度增加。往往需要在設(shè)計(jì)中插入控制器實(shí)現(xiàn)微處理器或DSP對(duì)存儲(chǔ)器的控制。

現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)已廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中?，F(xiàn)在很多FPGA都提供了針對(duì)DDR SDRAM的接口特性：其輸入輸出引腳與SSTL－Ⅱ電氣特性兼容，內(nèi)部提供了DDR觸發(fā)器、鎖相環(huán)等硬件資源。使用這些特性，可以比較容易地設(shè)計(jì)性能可靠的高速DDR RAM控制器。本文針對(duì)這一問題，介紹一種采用Lattice FPGA與IP來實(shí)現(xiàn)DDR RAM控制和驗(yàn)證的方法。

LatticeXP

LatticeXP器件將非易失的FLASH單元和SRAM技術(shù)組合在一起，支持瞬間啟動(dòng)和無限可重構(gòu)的單芯片解決方案。FLASH單元陣列中保存用戶配置文件。上電時(shí)，配置文件在1毫秒內(nèi)從FLASH存儲(chǔ)器中被傳送到配置SRAM中，完成瞬時(shí)上電。

器件內(nèi)部分為：PIC (可編程的I/O單元)，非易失的FLASH MEMORY，SYSCONFIG配置端口，PFU(可編程功能單元)，PLL(模擬鎖相環(huán))，PFF(非RAM/ROM功能可編程邏輯單元)，EBR(嵌入式RAM塊)，JTAG口等幾部分(見圖1)。

圖1 LatticeXP內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

DDR controller IP的生成

IPExpress是Lattice開發(fā)軟件中生成IP模塊的工具，可根據(jù)用戶設(shè)定的參數(shù)生成IP模塊，使用非常方便。

點(diǎn)擊啟動(dòng)IPexpress進(jìn)入生成界面(見圖2)。在左邊選取DDR SDRAM工程，在右邊設(shè)置工程名稱和文件保存地址。

圖2 IPexpress界面

點(diǎn)擊下一步，開始進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置(見圖3)。這里面進(jìn)行設(shè)置DDR RAM的行、列的參數(shù)，以及Bank。這些參數(shù)都是根據(jù)DDR RAM芯片手冊(cè)進(jìn)行設(shè)置。本文中采用的DDR RAM顆粒是現(xiàn)代公司的HY5DU561622，16M x16，4bank顆粒。

圖3 DDR RAM的行、列的參數(shù)配置

下一步，進(jìn)行時(shí)序延時(shí)上面的設(shè)置(見圖4)。

圖4 DDR RAM顆粒時(shí)序參數(shù)配置

在這里設(shè)置tRAC(行訪問周期，RAS Access Cycle/Delay)、tCAC(列訪問周期，CAS Access Cycle/ Delay)等參數(shù)。這些參數(shù)，在DDR RAM顆粒芯片的手冊(cè)中都有詳細(xì)的列表。需要特別指出的是，由于芯片提供商會(huì)針對(duì)不同的DDR標(biāo)準(zhǔn)，例如DDR400，DDR333等，給出不同的延時(shí)參數(shù)，會(huì)是以ns為單位的幾個(gè)不同的列表，需要根據(jù)設(shè)計(jì)的不同，參考不同的表格。因?yàn)镮P生成器中采用的是單一參數(shù)設(shè)置，單位采用了CLK為單位，這就需要根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及時(shí)鐘頻率來轉(zhuǎn)換一下，進(jìn)行設(shè)定。本文采用的是DDR266標(biāo)準(zhǔn)，時(shí)鐘為133MHz，對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘周期為1/133MHz，大約為7.5ns。這樣，芯片在DDR266標(biāo)準(zhǔn)的TRCD為20ns(最小值)，對(duì)應(yīng)到IP的參數(shù)中就是3。其他參數(shù)也是類似的換算。
設(shè)置完畢以后，點(diǎn)擊generate，可以生成IP代碼文件，如圖5。

圖5 IP生成

DDR controller IP的使用與驗(yàn)證

生成的DDR Controller IP的接口結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 DDR Controller接口

RAM接口根據(jù)信號(hào)的定義，對(duì)應(yīng)DDR RAM接口信號(hào)。另一端是用戶接口，包括復(fù)位、時(shí)鐘、地址、數(shù)據(jù)、讀寫、狀態(tài)信號(hào)等。數(shù)據(jù)通過用戶接口送入，通過IP控制時(shí)序送到DDR RAM對(duì)用的地址當(dāng)中。
對(duì)IP的測試，采用數(shù)據(jù)寫入與讀出進(jìn)行校驗(yàn)的方式來實(shí)現(xiàn)。測試框圖如圖7所示。

圖7 測試原理框圖

在FPGA內(nèi)部做兩個(gè)RAM區(qū)域，用于數(shù)據(jù)的保存。這里使用FPGA內(nèi)部的RAM塊，做了兩塊256