一種基于FPGA的DDR SDRAM控制器的設(shè)計(jì)

摘要 對(duì)DDR SDRAM的基本工作特性以及時(shí)序進(jìn)行了分析與研究，基于FPGA提出了一種通用的DDRSDRAM控制器設(shè)計(jì)方案。在Modelaim上通過了軟件功能仿真，并在FPGA芯片上完成了硬件驗(yàn)證。結(jié)果表明，該控制器能夠較好地完成DDR SDRAM的讀寫控制，具有讀寫效率較高、接口電路簡單的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞 DDR SDRAM；控制器；FPGA

    隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的成熟，以及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用，高速大容量緩存逐漸成為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。DDR SDRAM即雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，它采用地址復(fù)用技術(shù)，在時(shí)鐘的上升沿和下降沿均能觸發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，并且能與系統(tǒng)保持良好的同步性。DDR SDRAM以其大容量、低成本以及更高的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量等優(yōu)勢，逐步取代SDRAM而被各集成電路制造廠家所青睞。而要實(shí)現(xiàn)各微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器的存儲(chǔ)器接口與DDR SDRAM接口相逢接，必須要借助DDR SDRAM控制器才能實(shí)現(xiàn)控制讀寫等功能。微電子制造工藝的迅猛發(fā)展使得FPGA的集成度和性能也不斷提高，在各種嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越廣泛。FPGA內(nèi)部集成了DDR觸發(fā)器、PLL鎖相環(huán)等邏輯資源，并且其引腳均能滿足SSTL-Ⅱ電器特性的要求，因此FPGA是實(shí)現(xiàn)DDR，讀寫控制的最佳平臺(tái)，研究如何利用FPGA實(shí)現(xiàn)DDR SDRAM控制器具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 DDR SDRAM的工作特性
    一個(gè)DDR SDRAM通常包含有地址總線15個(gè)、數(shù)據(jù)總線16個(gè)、數(shù)據(jù)捕獲探針2個(gè)、寫掩碼信號(hào)線2個(gè)、差分主控時(shí)鐘線1個(gè)、時(shí)鐘使能信號(hào)線1個(gè)、以及命令信號(hào)線4個(gè)：CS_N，RAS_N，CAS_N，WE_N。
1．1 DDR SDRAM的初始化
    DDR SDRAM的工作模式必須由初始化操作來配置，初始化的過程通常包含：首先發(fā)送一個(gè)Prechargeall bank命令完成對(duì)所有塊的預(yù)充，接下來是兩個(gè)或多個(gè)Auto Refresh命令使DDR SDRAM進(jìn)行自動(dòng)刷新，最后由模式配置命令完成對(duì)DDR SDRAM內(nèi)部模式設(shè)置寄存器的配置。
1．2 訪問存儲(chǔ)單元
    為減少輸入輸出引腳的數(shù)量，初始化完成后要對(duì)各個(gè)Bank中的陣列進(jìn)行尋址以訪問存儲(chǔ)單元：在Read／Write狀態(tài)下先由Active命令激活相關(guān)的Bank，并鎖存其行地址，當(dāng)Read／Write命令有效時(shí)鎖存列地址。對(duì)于已被激活由同一個(gè)Bank，再次激活必須重新執(zhí)行一次Prechar ge all bank命令。
1．3 刷新
    DDR SDRAM的存儲(chǔ)單元由晶體管和電容器組成，電容器會(huì)由于漏電而導(dǎo)致電荷丟失，為保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的穩(wěn)定性，必須周期性地對(duì)DDR SD RAM進(jìn)行刷新?？刂破鲀?nèi)部的自動(dòng)刷新計(jì)數(shù)器每隔一個(gè)刷新周期便會(huì)發(fā)送一個(gè)刷新請(qǐng)求，控制器在接收到請(qǐng)求后會(huì)根據(jù)當(dāng)前DDR SDRAM的狀態(tài)做出不同響應(yīng)：如果此時(shí)DDRSDRAM處于Idle State，控制器便會(huì)發(fā)出一個(gè)AutoRefresh命令對(duì)DDR SDRAM進(jìn)行刷新；如果此時(shí)DDR SDRAM正在進(jìn)行Read／Write操作，控制器會(huì)等到當(dāng)前操作完成之后再發(fā)送Auto Refresh命令。
1．4 操作控制
    DDR SDRAM的操作命令由專用的命令控制信號(hào)決定。具體會(huì)執(zhí)行何種操作動(dòng)作決定于系統(tǒng)時(shí)鐘上升沿時(shí)的CS_N(片選信號(hào))，RAS_N(行地址使能信號(hào))，CAS_N(列地址使能信號(hào))以及WE_N(寫使能信號(hào))的狀態(tài)。DDR SDRAM操作命令真值表如表1所示，選擇控制信號(hào)線和地址信號(hào)線只作為輔助參數(shù)輸入。

2 DDR SDRAM控制器的設(shè)計(jì)
    為能像操作普通存儲(chǔ)器—樣對(duì)DDR SDRAM進(jìn)行控制，必須要通過一系列的初始化操作完成對(duì)DDRSDRAM復(fù)雜的讀寫時(shí)序轉(zhuǎn)換。同時(shí)DDR SD RAM控制器還要自行產(chǎn)生周期性的Auto Refresh命令自動(dòng)刷新DDR SDRAM，以保證存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。圖1為DDR SDRAM控制器管腳接口示意圖，控制器右端的管腳接口與DDR SDRAM所對(duì)應(yīng)管腳接口直接相連，控制器左端的管腳接口則是接收來自系統(tǒng)發(fā)送的控制信號(hào)。

    DDR SDRAM控制器的基本構(gòu)造框架如圖2所示：分別是系統(tǒng)控制接口模塊ddr_control_interface、CMD命令模塊ddr_command和數(shù)據(jù)通路模塊ddr_data_path。ddr_control_interface包括命令接口模塊和刷新控制模塊，系統(tǒng)發(fā)出的控制信號(hào)會(huì)首先進(jìn)入ddr_control_interface，進(jìn)而產(chǎn)生不同的commsnd信號(hào)組合；ddr_command用于接收系統(tǒng)控制接口模塊產(chǎn)生的command，并解碼成具體的操作命令對(duì)DDR SDRAM進(jìn)行控制；ddr_data—path主要是對(duì)輸入和輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的控制。

2．1 系統(tǒng)控制接口模塊
    圖3為系統(tǒng)控制接口模塊ddr_control_interface的有限狀態(tài)機(jī)?？刂破鹘邮盏胶竽K發(fā)送的LOAD_REG1命令后進(jìn)入載入模式，然后由一個(gè)LOAD_REG2命令將刷新計(jì)數(shù)器值載入控制器?？刂破靼l(fā)送Read／Write操作請(qǐng)求時(shí)，如果DDR SDRAM正處于IdleState，則需要使用Active命令打開相應(yīng)的行之后才能進(jìn)入Read／Write狀態(tài)。DDR SDRAM的Read／Write訪問是基于突發(fā)方式，有2、4、8這3種突發(fā)長度。在突發(fā)長度為8的狀態(tài)下，DDR SDRAM接收Read命令后會(huì)在指定的延遲后的4個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，由DQ數(shù)據(jù)線給出8個(gè)16位數(shù)據(jù)，完成1次突發(fā)Read操作。執(zhí)行完1次突發(fā)Read操作，控制器便會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)入Read等待狀態(tài)，這個(gè)等待狀態(tài)將持續(xù)到控制器接收到下一個(gè)Read命令。如果此時(shí)發(fā)送1個(gè)Precharge命令關(guān)閉當(dāng)前正在工作的行，控制器就會(huì)進(jìn)入Idle State。連續(xù)突發(fā)Bead操作可以通過設(shè)置Read等待狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)而不必重復(fù)Active操作。當(dāng)Read操作發(fā)生在不同的行時(shí)，需要先使用Precharge命令關(guān)閉正在工作的行，再由Active打開需要讀取的另一個(gè)行，而此時(shí)的訪問耗時(shí)最長。

2．2 CMD命令模塊
    CMD命令模塊ddr_command由仲裁模塊以及命令產(chǎn)生模塊構(gòu)成。仲裁模塊的作用主要是仲裁初始化請(qǐng)求、刷新請(qǐng)求以及讀寫請(qǐng)求的優(yōu)先級(jí)，并產(chǎn)生初始化響應(yīng)initial hold、刷新響應(yīng)refresh hold和讀寫響應(yīng)sdram wr hold。命令產(chǎn)生模塊則是實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器與控制之間的命令通信，直接產(chǎn)生存儲(chǔ)器所需的CKE、CS_N，RAS_N，CAS_N，WE_N等命令信號(hào)。除此之外Read／Write所需的行列地址和簇地址也由命令模塊產(chǎn)生。命令產(chǎn)生模塊接收到來自CMD命令解析模塊的操作命令后，根據(jù)數(shù)據(jù)選通倍號(hào)OE對(duì)數(shù)據(jù)通路模塊進(jìn)行有效控制：OE為1時(shí)，進(jìn)行Write操作；OE為0時(shí)，進(jìn)行Read操作。
2．3 數(shù)據(jù)通路模塊
    數(shù)據(jù)通路模塊ddr_data_path受命令產(chǎn)生模塊的OE信號(hào)控制，其管腳接口如圖4所示。OE為1時(shí)，數(shù)據(jù)可由DQIN引腳寫入DDR SDRAM；OE為0時(shí)，數(shù)據(jù)可從DDR SDRAM的DQIN引腳讀出。

    由于DDR SDRAM在時(shí)鐘的上升沿和下降沿能均觸發(fā)數(shù)據(jù)，使得用戶端的數(shù)據(jù)寬度是DDR SDRAM的兩倍。進(jìn)行Read操作時(shí)，DQ pins上的雙倍速率數(shù)據(jù)經(jīng)過邊沿觸發(fā)器，在DQS信號(hào)的兩個(gè)邊沿同時(shí)采樣數(shù)據(jù)，然后這些數(shù)據(jù)會(huì)通過另一套可配置的寄存器被傳送到系統(tǒng)的時(shí)鐘域。進(jìn)行Write操作時(shí)，用戶端寄存器輸出的數(shù)據(jù)會(huì)被傳送到控制器的寄存器中，進(jìn)而被存放到DQ pins上。數(shù)據(jù)通路模塊在與存儲(chǔ)器的接口處完成了兩個(gè)轉(zhuǎn)換：一是翻倍來自存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)總線寬度；二是以400 MHz的時(shí)鐘頻率接收存儲(chǔ)器在時(shí)鐘上升和下降沿發(fā)出的數(shù)據(jù)。

3 DDR SDRAM控制的仿真和驗(yàn)證
3．1 DDR SDPAM控制器的軟件仿真
    設(shè)計(jì)的軟件功能仿真是利用硬件描述語言VerilogHDL寫出測試代碼，在Mentor公司的Modelsim軟件中進(jìn)行，通過檢查波形完成。DDR SD RAM控制器測試流如圖5所示，實(shí)現(xiàn)了寫數(shù)據(jù)到第1組寄存器，讀校驗(yàn)數(shù)據(jù)，寫數(shù)據(jù)到第2組寄存器，讀校驗(yàn)數(shù)據(jù)。

    當(dāng)控制器接收到請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)的命令后，由命令引腳產(chǎn)生相應(yīng)的Write命令傳送給DDR SDRAM，接下來會(huì)反饋—個(gè)握手信號(hào)ready以告知用戶端已準(zhǔn)備就緒可以繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，而接收到的數(shù)據(jù)通過dq端口直接傳給DDR SDRAK。經(jīng)過Modelsim功能仿真Read／Write波形如圖6和圖7所示，結(jié)果表明DDR SDRAM能順利地完成讀寫、刷新和預(yù)充電，行與行、塊與塊之間的交換平穩(wěn)迅速，無論是連續(xù)還是單個(gè)操作都非常順暢。

3．2 DDR SDRAM控制器的FPGA驗(yàn)證
    設(shè)計(jì)的DDR SDRAM控制器硬件驗(yàn)證在Altera公司CycloneII系列的EP2C5Q208C8 FPGA芯片中進(jìn)行，利用在線仿真技術(shù)快速建立芯片設(shè)計(jì)的硬件模型，然后將設(shè)計(jì)映射至目標(biāo)FPGA電路中，通過加載設(shè)定的激勵(lì)信號(hào)，觀察所輸出的結(jié)果并與所期望的輸出結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)寫入和輸出的數(shù)據(jù)完全吻合。經(jīng)過綜合，基礎(chǔ)邏輯單元資源占用率為12．33％，引腳資源占用率為62．5％，鎖相環(huán)PLL資源的占有率為50％，流片頻率測試也能達(dá)到期望要求，能完全勝任對(duì)DDRSDRAM控制。

4 結(jié)束語
    在研究DDR SDRAM的主要工作特性以及時(shí)序的基礎(chǔ)上，利用Verilog HDL硬件描述語言提出了一種適用于DDR SDRAM的控制器的設(shè)計(jì)。并且通過了Modelsim軟件功能仿真、FPGA硬件驗(yàn)證，結(jié)果表明該設(shè)計(jì)傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，讀寫效率較高，接口電路簡單，可應(yīng)用于各種高速度、大容量存儲(chǔ)器場合中。