Xilinx Spartan-3A FPGA 的DDR2接口设计

1 引言


    DDR2(Double DataRate2)SDRAM是由JEDEC(电子设备工程联合委员会)制定的新生代内存技术标准，它与上一代DDR内存技术标准最大的不同：虽然采用 时钟的上升／下降沿同时传输数据的基本方式，但DDR2却拥有2倍的DDR预读取能力(即4位预存取技术)。此外，DDR2还增加ODT(内建核心终结电 阻器)功能，内建合适的端接电阻，避免了以往因片外连接大片终结电阻带来的制板成本增加。
    基于FPGA的SDRAM控制器，以高可靠性、强 可移植性、易于集成的特点，逐渐取代以往的专用控制器而成为主流解决方案。本文采用Xilinx公司的Spartan-3A系列FPGA和Hynix公司 的DDR2 SDRAM器件HY5PS121621实现DDR2控制器的设计。
    2 FPGA与DDR2存储器接口
    图1所示为 DDR2与FPGA的外围接口连接图，DDR2的信号线分为：时钟信号线CK／CK；数据信号线Data／DQS／DM；地址信号线 Address／BA1／BA0；命令信号线RAS／CAS／WE；控制信号线CS／CKE／ODT。FPGA除与DDR2的所有信号线相连外，还引出外 部环回信号线(图中虚线所示)，此信号输出送至输入输出模块(IOB)，以补偿FPGA与存储器之间的IOB、器件和迹线的延迟。   
    差 分时钟线CK／CK为DDR2数据传输提供时钟，在CK的上升沿和下降沿均有数据被触发；双向差分线DQS／DQS看作数据的同步信号，写入时由控制器发 出，读取时由DDR2产生DQS向控制器发送，它与读数据边沿对齐而与写数据中心对齐。DN为数据信号屏蔽位在突发写传输时屏蔽不存储的数 据；RAS／CAS／WE作为命令信号线向DDR2发出读取、写人、刷新或预充电命令；片内终结信号线ODT控制是否需要DDR2进行片内终结。
  3 DDR2控制器的设计原理
    基于FPGA的DDR2控制器设计是由时钟生成模块、存储控制模块和读写数据接口模块组成如图2所示。   
    控 制器中所有模块时钟均来自于时钟生成模块，它由数字时钟管理器(DCM)控制，输出90°、180°和270°时钟。该模块还包含延迟校准监视器，用于校 准读取数据(DQ)对读取数据选通脉冲(DQS)的延迟，以便读取数据选通脉冲边沿能够正确对齐DQ有效窗口的中间位置。
    读写数据接口模 块是整个控制器设计的关键，它负责将用户写入的数据DQ和DOS按照DDR2SDRAM时序要求发送给DDR2，DDR2在DQS的每一个时钟沿采集写数 据。在读取数据时，DDR2SDRAM将DQS和相关数据发送到与DQ对齐边沿的FPGA。FPGA将接收到的DQS信号经过延迟校准，作为内部存储读数 据的FIFO的写时钟。FPGA为DDR2的每个数据位配置一对读写异步的FIFO，每个数据位都输入到上升沿(FIFO0)和下降沿(FIFO1)的 FIFO中，实现原理如图3所示。   
    存 储控制模块用于产生DDR2所需的地址和命令信号。DDR2在正常的读写操作前要初始化，因此需向DDR2发送初始化命令，待初始化完成后才能发送读写命 令。对DDR2SDRAM的读写访问为突发模式。突发写操作需向DDR2提供写命令(User_command)、写数据 (User_input_data)和写地址(User_address)信号，在最后一个写地址发送突发操作完成信号 (User_burst_done)，并保持2个时钟周期有效下终止写操作，突发写时序如图4所示。突发读操作需向DDR2提供读命令 (User_comm-and)和读地址(User-address)，在最后一读地址发送突发完成信号(User-burst_done)，并保持2个 周期有效下终止读操作，突发读时序如图5所示   
    4 DDR2控制器的设计及应用
  为 了缩短开发周期，采用Xilinx的MIG软件工具直接生成DDR2控制器设计模块，包括HDL代码和约束文件。用户可在MIG的GUI图形界面选择对应 模板、总线宽度和速度级别，并设置CAS延迟、突发长度、引脚分配等关键参数。如果设计者所选器件与MIG所列模板不相符，可在代码生成后灵活修改代码， 达到系统要求。代码添加到工程前需硬件验证，采用MIG自动生成的测试模块进行验证。该模块向存储器发出一系列的写入命令和读取命令，并对写入数据和读回 数据进行比较，通过比较信号(led_error)验证控制器的正确与否。用ChipScope抓取的读数据和相关控制信号时序分别如图6和图7所示，读 写比较信号(led_error)在检测到读写数据相等时输出'0'电平。
    在硬件验证通过后，把控制器代码导入到系统工程中，设计者只需输 入相应命令(包括读、写和初始化命令)，控制器模块将自动产生命令和控制信号并按照DDR2的时序要求送至DDR2，命令发送完毕提供给用户一个命令应答 信号(User_cmd_ack)，设计者根据这一信号判断是否可以发送下一个命令。至于自动刷新、激活和预充电命令则由控制器自动完成，无需用户干涉。
    5 结束语
    通过MIG工具辅助设计，实现500 M／s带宽的DDR2接口数据采集，占用FPGA资源分别为15％IOB资源，17％逻辑Slice资源和2个DCM。在FPGA中实现DDR2控制器，节省功耗和空间，并缩短系统开发周期，满足大多数低成本系统设计要求。