采用Xilinx 和FPGA的DDR2 SDRAM存儲(chǔ)器接口控制器的設(shè)計(jì)

本白皮書討論各種存儲(chǔ)器接口控制器設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)和 Xilinx 的解決方案，同時(shí)也說明如何使用 Xilinx軟件工具和經(jīng)過硬件驗(yàn)證的參考設(shè)計(jì)來為您自己的應(yīng)用(從低成本的 DDR SDRAM 應(yīng)用到像 667 Mb/sDDR2 SDRAM 這樣的更高性能接口)設(shè)計(jì)完整的存

　　儲(chǔ)器接口解決方案。

　　存儲(chǔ)器接口趨勢和 Xilinx 解決方案

　　20 世紀(jì) 90 年代后期，存儲(chǔ)器接口從單倍數(shù)據(jù)速率 (SDR) SDRAM 發(fā)展到了雙倍數(shù)據(jù)速率 (DDR) SDRAM，而今天的 DDR2 SDRAM 運(yùn)行速率已經(jīng)達(dá)到每引腳 667 Mb/s或更高。當(dāng)今的趨勢顯示，這些數(shù)據(jù)速率可能每四年增加一倍，到 2010 年，隨著DDR3 SDRAM 的出現(xiàn)，很可能超過每引腳 1.2 Gb/s。見圖1。

　　應(yīng)用通?？煞譃閮深悾阂活愂堑统杀緫?yīng)用，降低器件成本為主要目的;另一類是高性能應(yīng)用，首要目標(biāo)是謀求高帶寬。

　　運(yùn)行速率低于每引腳 400 Mb/s 的 DDR SDRAM 和低端 DDR2 SDRAM 已能滿足大多數(shù)低成本系統(tǒng)存儲(chǔ)器的帶寬需求。對于這類應(yīng)用，Xilinx 提供了 Spartan-3 系列FPGA，其中包括 Spartan-3、Spartan-3E 和 Spartan-3A 器件。

　　高性能應(yīng)用把每引腳 533 和 667 Mb/s 的 DDR2 SDRAM 這樣的存儲(chǔ)器接口帶寬推到了極限;對于這類應(yīng)用，Xilinx 推出了 Virtex-4 和 Virtex-5 FPGA，能夠充分滿足今天大多數(shù)系統(tǒng)的最高帶寬需求。

　　帶寬是與每引腳數(shù)據(jù)速率和數(shù)據(jù)總線寬度相關(guān)的一個(gè)因素。Spartan-3 系列、Virtex-4、Virtex-5 FPGA 提供不同的選項(xiàng)，從數(shù)據(jù)總線寬度小于 72 位的較小的低成本統(tǒng)，到576 位寬的更大的 Virtex-5 封裝(見圖2)。

　　高于 400 Mb/s 速率的更寬總線使得芯片到芯片的接口愈益難以開發(fā)，因?yàn)樾枰蟮姆庋b、更好的電源和接地-信號(hào)比率。Virtex-4 和 Virtex-5 FPGA 的開發(fā)使用了先進(jìn)的稀疏鋸齒形 (Sparse Chevron) 封裝技術(shù)，能提供優(yōu)良的信號(hào)-電源和接地引腳比率。每個(gè) I/O 引腳周圍都有足夠的電源和接地引腳和板，以確保良好的屏蔽，使由同步交換輸出 (SSO) 所造成的串?dāng)_噪音降到最低。

　　低成本存儲(chǔ)器接口

　　今天，并不是所有的系統(tǒng)都在追求存儲(chǔ)器接口的性能極限。當(dāng)?shù)统杀臼侵饕臎Q定因素，而且存儲(chǔ)器的比特率達(dá)到每引腳 333 Mb/s 已經(jīng)足夠時(shí)，Spartan-3 系列 FPGA配之以 Xilinx 軟件工具，就能提供一個(gè)易于實(shí)現(xiàn)、低成本的解決方案。

　　基于 FPGA 設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)器接口和控制器由三個(gè)基本構(gòu)建模塊組成：讀寫數(shù)據(jù)接口、存儲(chǔ)器控制器狀態(tài)機(jī)，以及將存儲(chǔ)器接口設(shè)計(jì)橋接到 FPGA 設(shè)計(jì)的其余部分的用戶界面(圖3)。這些模塊都在 FPGA 資源中實(shí)現(xiàn)，并由數(shù)字時(shí)鐘管理器 (DCM) 的輸出作為時(shí)鐘來驅(qū)動(dòng)。在 Spartan-3 系列實(shí)現(xiàn)中，DCM 也驅(qū)動(dòng)查找表 (LUT) 延遲校準(zhǔn)監(jiān)視器(一個(gè)確保讀數(shù)據(jù)采集具有正確時(shí)序的邏輯塊)。延遲校準(zhǔn)電路用來選擇基于 LUT 的延遲單元的數(shù)量，這些延遲單元?jiǎng)t用于針對讀數(shù)據(jù)對選通脈沖線 (DQS) 加以延遲。延遲校準(zhǔn)電路計(jì)算出與 DQS 延遲電路相同的一個(gè)電路的延遲。校準(zhǔn)時(shí)會(huì)考慮所有延遲因素，包括所有組件和布線延遲。

　　用戶界面是一種握手型的界面。用戶發(fā)出一條讀或?qū)懨?，如果是寫命令的話還包括地址和數(shù)據(jù)，而用戶界面邏輯以 User_cmd-ack 信號(hào)回應(yīng)，于是下一條命令又可發(fā)出。

　　在 Spartan-3 系列實(shí)現(xiàn)中，使用可配置邏輯塊 (CLB) 中的 LUT 來實(shí)現(xiàn)讀數(shù)據(jù)采集。在讀事務(wù)過程中，DDR 或 DDR2 SDRAM 器件將讀數(shù)據(jù)選通脈沖 (DQS) 及相關(guān)數(shù)據(jù)按照與讀數(shù)據(jù) (DQ) 邊沿對齊的方式發(fā)送給 FPGA。在高頻率運(yùn)行的源同步接口中采集讀數(shù)據(jù)是一項(xiàng)頗具挑戰(zhàn)性的任務(wù), 因?yàn)閿?shù)據(jù)在非自由運(yùn)行 DQS 的每個(gè)邊沿上都會(huì)改變。讀數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)使用了一種基于 LUT 的 tap 延遲機(jī)制。DQS 時(shí)鐘信號(hào)被適量延遲，使其放置后在讀數(shù)據(jù)有效窗口中具有足夠的余量，以在 FPGA 內(nèi)被采集。

　　讀數(shù)據(jù)的采集是在基于 LUT 的雙端口分布式 RAM 中完成的(見圖4)。LUT RAM 被配置成一對 FIFO，每個(gè)數(shù)據(jù)位都被輸入到上升邊沿 (FIFO 0) 和下降邊沿 (FIFO 1)的FIFO 中，如圖4 所示。這些深度為 16 個(gè)輸入的 FIFO 異步運(yùn)行，具有獨(dú)立的讀寫端口。

　　來自存儲(chǔ)器的讀數(shù)據(jù)寫到經(jīng)過延遲的 DQS 上升邊沿的 FIFO_0 中，并寫到經(jīng)過延遲的DQS 下降邊沿的 FIFO_1 中。將讀數(shù)據(jù)從 DQS 時(shí)鐘域傳輸?shù)酱鎯?chǔ)器控制器時(shí)鐘域就是通過這些異步 FIFO 完成的。在存儲(chǔ)器控制器的時(shí)鐘域中，可以從 FIFO_0 和FIFO_1 同時(shí)讀出數(shù)據(jù)。FIFO 的讀指針在 FPGA 的內(nèi)部時(shí)鐘域中生成。寫使能信號(hào)(FIFO_0 WE 和 FIFO1_WE)的生成通過 DQS 和一個(gè)外部回送(亦即歸一化)信號(hào)完成。外部歸一化信號(hào)作為輸出傳送至輸入/ 輸出模塊 (IOB)，然后通過輸入緩沖器作為輸入取出。這種技術(shù)可補(bǔ)償 FPGA 與存儲(chǔ)器器件之間的 IOB、器件和跡線延遲。從FPGA 輸入管腳發(fā)出的歸一化信號(hào)在進(jìn)入 LUT 延遲電路之前使用與 DQS 相似的布線資源，以與布線延遲相匹配。環(huán)路之跡線延遲應(yīng)為發(fā)送給存儲(chǔ)器的時(shí)鐘和 DQS 之跡線延遲的總和(圖4)。

　　寫數(shù)據(jù)命令和時(shí)序由寫數(shù)據(jù)接口生成并控制。寫數(shù)據(jù)接口使用 IOB 觸發(fā)器和 DCM 的90 度、180 度和 270 度輸出，發(fā)送按照 DDR 和 DDR2 SDRAM 的時(shí)序要求與命令位和數(shù)據(jù)位正確對齊的 DQS。

　　用于 Spartan-3 系列 FPGA 的一種 DDR 和 DDR2 SDRAM 存儲(chǔ)器接口實(shí)現(xiàn)已通過硬件進(jìn)行了充分驗(yàn)證。一個(gè)利用 Spartan-3A 入門套件的低成本 DDR2 SDRAM 參考設(shè)計(jì)示例已完成。此設(shè)計(jì)為板上 16 位寬 DDR2SDRAM 存儲(chǔ)器器件而開發(fā)，并使用了XC3S700A-FG484。此參考設(shè)計(jì)僅利用了 Spartan-3A FPGA 器件可用資源的一小部分：13% 的 IOB、9% 的邏輯 Slice、16% 的 BUFG MUX 和八個(gè) DCM 中的一個(gè)。這一實(shí)現(xiàn)為其余部分 FPGA 設(shè)計(jì)所需的其他功能留下了可用資源。

　　使用存儲(chǔ)器接口生成器 (MIG) 軟件工具(本白皮書后面的部分有說明)，設(shè)計(jì)人員可以很容易地定制 Spartan-3 系列的存儲(chǔ)器接口設(shè)計(jì)，以適合自己的應(yīng)用。

　　高性能存儲(chǔ)器接口

　　隨著數(shù)據(jù)速率的提高，滿足接口時(shí)序方面的要求變得愈益困難了。與寫入存儲(chǔ)器相比，從存儲(chǔ)器中讀數(shù)據(jù)時(shí)，存儲(chǔ)器接口時(shí)鐘控制方面的要求通常更難滿足。追求更高數(shù)據(jù)速率的趨勢使得設(shè)計(jì)人員面臨巨大挑戰(zhàn)，因?yàn)閿?shù)據(jù)有效窗口(此為數(shù)據(jù)周期內(nèi)的一段時(shí)間，其間可獲得可靠的讀數(shù)據(jù))比數(shù)據(jù)周期本身縮小得快。造成這種情況的原因是，影響有效數(shù)據(jù)窗口尺寸大小的系統(tǒng)和器件性能參數(shù)具有種種不確定性，它們縮小的速率與數(shù)據(jù)周期不同。

　　如果比較一下運(yùn)行速度為 400 Mb/s 的 DDR SDRAM 數(shù)據(jù)有效窗口和運(yùn)行速度為 667Mb/s 的 DDR2 存儲(chǔ)器技術(shù)，這種情況就一目了然了。數(shù)據(jù)周期為 2.5 ns 的 DDR 器件擁有 0.7 ns 的數(shù)據(jù)有效窗口，而數(shù)據(jù)周期為 1.5 ns 的 DDR2 器件僅有 0.14 ns 的數(shù)據(jù)有效窗口(圖5)。

　　顯然，數(shù)據(jù)有效窗口的加速減損給 FPGA 設(shè)計(jì)人員帶來了一堆全新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，要?jiǎng)?chuàng)建和維護(hù)可靠的存儲(chǔ)器接口性能，就得采用更有效的方法。

　　正如 Spartan-3 系列 FPGA 中所實(shí)現(xiàn)的那樣，使用讀數(shù)據(jù) DQS 可以把讀數(shù)據(jù)采集到可配置邏輯塊 (CLB) 中，但是使用 LUT 把 DQS 或時(shí)鐘與數(shù)據(jù)有效窗口中心對齊時(shí)，所用的延遲 tap 卻很粗糙。CLB 中實(shí)現(xiàn)的延遲 tap 具有大約幾百微微秒 (ps) 的分辨率，然而，對于超過 400 Mb/s 的數(shù)據(jù)速率的讀取采集時(shí)序，所需的分辨率要比基于CLB 的 tap 高一個(gè)數(shù)量級(jí)。Virtex-4 和 Virtex-5 FPGA 采用 I/O 模塊中的專用延遲和時(shí)鐘資源(稱為 ChipSync? 技術(shù))來解決這一難題。內(nèi)置到每個(gè) I/O 中的 ChipSync模塊都含有一串延遲單元(tap 延遲)，在 Virtex-4 中稱為 IDELAY，而在 Virtex-5FPGA 中稱為 IODELAY，其分辨率為 75 ps (見圖6)。

　　此實(shí)現(xiàn)的架構(gòu)基于幾個(gè)構(gòu)建模塊。用戶界面負(fù)責(zé)把存儲(chǔ)器控制器和物理層接口橋接到其余 FPGA 設(shè)計(jì)，它使用 FIFO 架構(gòu)(圖7)。FIFO 有三套：命令/ 地址 FIFO、寫FIFO、讀 FIFO。這些 FIFO 保存著命令、地址、寫數(shù)據(jù)和讀數(shù)據(jù)。主要的控制器模塊控制讀、寫和刷新操作。其他兩個(gè)邏輯模塊執(zhí)行讀操作的時(shí)鐘-數(shù)據(jù)中心對齊：初始化控制器和校準(zhǔn)邏輯。

[!--empirenews.page--]

用于地址、控制和數(shù)據(jù)的物理層接口在 I/O 模塊 (IOB) 中實(shí)現(xiàn)。讀數(shù)據(jù)在鎖存器的第二級(jí)(也是 IOB 的一部分)重新采集。

　　Virtex-4 和 Virtex-5 FPGA 存儲(chǔ)器接口參考設(shè)計(jì)支持兩種讀數(shù)據(jù)采集技術(shù)。Virtex-4FPGA 支持的直接時(shí)鐘技術(shù)延遲了讀數(shù)據(jù)，因而使用 IOB 的輸入 DDR 觸發(fā)器中的系統(tǒng)時(shí)鐘可直接寄存讀數(shù)據(jù)。為將 FPGA 時(shí)鐘對齊到最佳狀態(tài)，對每個(gè)讀數(shù)據(jù)位都會(huì)單獨(dú)進(jìn)行校驗(yàn)。這種技術(shù)為高達(dá) 240 MHz 的時(shí)鐘速率提供了足夠的性能。

　　第二種技術(shù)稱為基于 DQS 的技術(shù)。此技術(shù)用于更高的時(shí)鐘速率，Virtex-4 和 Virtex-5FPGA 二者都支持此技術(shù)。它使用存儲(chǔ)器 DQS 來采集相應(yīng)的讀數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)被此 DQS的延遲信號(hào)(通過一個(gè)局部 I/O 時(shí)鐘緩沖器 (BUFIO) 分配)寄存。此數(shù)據(jù)然后在觸發(fā)器的第二級(jí)與系統(tǒng)的時(shí)鐘域同步。IOB 中的輸入串行器/ 解串器功能用于讀數(shù)據(jù)采集;第一對觸發(fā)器把數(shù)據(jù)從延遲的 DQS 域中傳輸?shù)较到y(tǒng)的時(shí)鐘域(圖8)。

　　兩種技術(shù)都涉及到 tap 延遲 (IDELAY) 單元的應(yīng)用, 在由校驗(yàn)邏輯實(shí)現(xiàn)的校驗(yàn)程序中，這些延遲單元會(huì)有所變化。在系統(tǒng)初始化期間，會(huì)執(zhí)行此校準(zhǔn)程序以設(shè)置 DQS、數(shù)據(jù)和系統(tǒng)時(shí)鐘之間的最佳相位。這樣做的目的是使時(shí)序余量最大化。校準(zhǔn)會(huì)消除任何由過程相關(guān)的延遲所導(dǎo)致的不確定性，從而補(bǔ)償對于任何一塊電路板都不變的那些通路延遲成分。這些成分包括 PCB 跡線延遲、封裝延遲和過程相關(guān)的傳播延遲成分(存儲(chǔ)器和 FPGA 中都有)，以及 FPGA I/O 模塊中采集觸發(fā)器的建立/ 保持時(shí)間。有的延遲是由系統(tǒng)初始化階段的過程、電壓和溫度所決定的，校準(zhǔn)即負(fù)責(zé)解決這些延遲的變動(dòng)。

　　在校準(zhǔn)過程中會(huì)增加 DQS 和數(shù)據(jù)的延遲 tap 以執(zhí)行邊沿檢測，檢測方式是通過連續(xù)從存儲(chǔ)器中讀回?cái)?shù)據(jù)并對預(yù)編寫培訓(xùn)模式或存儲(chǔ)器 DQS 本身進(jìn)行采樣，直到確定數(shù)據(jù)選通脈沖 (DQS) 的前沿或前后兩沿。之后數(shù)據(jù)或 DQS 的 tap 數(shù)被設(shè)定，以提供最大的時(shí)序余量。對“基于 DQS”的采集而言，DQS 和數(shù)據(jù)可以有不同的 tap 延遲值，因?yàn)橥綄?shí)質(zhì)上分為兩個(gè)階段：一個(gè)先在 DQS 域中采集數(shù)據(jù)，另一個(gè)把此數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)時(shí)鐘域。

　　在更高的時(shí)鐘頻率下，“基于 DQS ”的采集方法就變得十分必要，其二階段方法能提供更好的采集時(shí)序余量，因?yàn)?DDR 時(shí)序的不確定性主要限于 IOB 中觸發(fā)器的第一級(jí)。此外，因?yàn)槭褂?DQS 來寄存數(shù)據(jù)，與時(shí)鐘-數(shù)據(jù) (Tac) 變化相比較， DQS -數(shù)據(jù)變化的時(shí)序不確定性要小一些。例如，對于 DDR2 而言，這些不確定性就是由器件的tDQSQ 和 tQHS 參數(shù)給出的。

　　正如 Spartan-3 系列 FPGA 中所實(shí)現(xiàn)的那樣，Virtex-4 和 Virtex-5 FPGA 的寫時(shí)序由DCM 所支持，此 DCM 生成系統(tǒng)時(shí)鐘的兩相輸出。存儲(chǔ)器的 DQS 由一個(gè)輸出 DDR 寄存器來輸出，這個(gè) DDR 寄存器由系統(tǒng)時(shí)鐘的同相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。寫數(shù)據(jù)則由超前系統(tǒng)時(shí)鐘90° 的一個(gè) DCM 時(shí)鐘輸出進(jìn)行時(shí)鐘控制。這種技術(shù)確保了在 FPGA 的輸出部分，DQS 與寫操作的數(shù)據(jù)中心對齊。

　　此設(shè)計(jì)的其他方面包括整體控制器狀態(tài)機(jī)的邏輯生成和用戶接口。為了使設(shè)計(jì)人員更容易完成整個(gè)設(shè)計(jì)，Xilinx 開發(fā)了存儲(chǔ)器接口生成器 (MIG) 工具。

　　控制器設(shè)計(jì)和集成

　　創(chuàng)建存儲(chǔ)器控制器是一項(xiàng)極其復(fù)雜、精細(xì)的任務(wù)，F(xiàn)PGA 設(shè)計(jì)人員要解決面臨的一道道難題，就需要 FPGA 隨附的工具提供更新水平的集成支持。

　　為設(shè)計(jì)的完整性起見，對包括存儲(chǔ)器控制器狀態(tài)機(jī)在內(nèi)的所有構(gòu)建模塊加以集成，十分必要。控制器狀態(tài)機(jī)因存儲(chǔ)器架構(gòu)和系統(tǒng)參數(shù)的不同而異。狀態(tài)機(jī)編碼也可以很復(fù)雜，它是多個(gè)變量的函數(shù)，例如：

　　架構(gòu)(DDR、DDR2、QDR II、RLDRAM 等)

　　組 (bank) 數(shù)(存儲(chǔ)器器件之外或之內(nèi))

　　數(shù)據(jù)總線寬度

　　存儲(chǔ)器器件的寬度和深度

　　組和行存取算法

　　最后，數(shù)據(jù)與 DQS 比 (DQ/DQS) 這類參數(shù)會(huì)進(jìn)一步增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。控制器狀態(tài)機(jī)必須按正確順序發(fā)出命令，同時(shí)還要考慮存儲(chǔ)器器件的時(shí)序要求。

　　使用 MIG 軟件工具可生成完整的設(shè)計(jì)。該工具作為 CORE Generator 參考設(shè)計(jì)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)套件的一部分，可從 Xilinx 免費(fèi)獲取。MIG 設(shè)計(jì)流程(圖9)與傳統(tǒng) FPGA 的設(shè)計(jì)流程非常相似。MIG 工具的優(yōu)點(diǎn)是不必再為物理層接口或存儲(chǔ)器控制器從頭生成RTL 代碼。

　　MIG 圖形用戶界面 (GUI) 可用于設(shè)置系統(tǒng)和存儲(chǔ)器參數(shù)(圖10)。例如，選定 FPGA器件、封裝方式和速度級(jí)別之后，設(shè)計(jì)人員可選擇存儲(chǔ)器架構(gòu)，并挑選實(shí)際存儲(chǔ)器器件或 DIMM。同是這一個(gè) GUI，還可用于選擇總線寬度和時(shí)鐘頻率。同時(shí)，對于某些FPGA 器件，它還提供擁有多于一個(gè)控制器的選項(xiàng)，以適應(yīng)多個(gè)存儲(chǔ)器總線接口的要求。另外一些選項(xiàng)可提供對時(shí)鐘控制方法、CAS 延遲、突發(fā)長度和引腳分配的控制。