基于Cyclone III FPGA的DDR2接口設(shè)計(jì)分析

DDR SDRAM是Double Data Rate SDRAM的縮寫，即雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。DDR內(nèi)存是在SDRAM內(nèi)存基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，能夠在時(shí)鐘的上升沿和下降沿各傳輸一次數(shù)據(jù)，可以在與SDRAM相同的總線時(shí)鐘頻率下達(dá)到更高的數(shù)據(jù)傳輸率。雖然DDR2和DDR一樣,都采用相同采樣方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但DDR2擁有兩倍于DDR的預(yù)讀取系統(tǒng)命令數(shù)據(jù)的能力。也就是說，在同樣100MHz的工作頻率下，DDR的實(shí)際頻率為200MHz，而DDR2則可以達(dá)到400MHz。DDR2還引入了三項(xiàng)新的技術(shù)，它們是OCD、ODT和Post CAS。

我們的設(shè)計(jì)（圖1）采用Altera公司Cyclone III系列型號(hào)為EP3C16F484C6N的FPGA作為控制器，以Micron公司生產(chǎn)的型號(hào)為MT47H16M16BG-5E（16M×16bit）的DDR2 SDRAM為存儲(chǔ)器。用一個(gè)IP核完成對(duì)4片DDR2的控制（帶寬為64bit），且DDR2的最高速率可達(dá)200MHz，以此完成對(duì)數(shù)據(jù)的高速大容量存儲(chǔ)。由于采用一個(gè)DDR2的IP核進(jìn)行控制，所以4片DDR2以地址和控制線共用、數(shù)據(jù)線獨(dú)立的方式進(jìn)行管腳連接。

圖1 接口總框圖

EP3C16只有TOP和BOTTOM邊的BANK支持200MHz DDR2接口（因?yàn)镈DR2管腳的特殊要求，DQS、DQ、DM管腳在FPGA上都需要專用管腳），且最高速率可達(dá)200MHz。

表1中Column I/O是指Top和Bottom I/O，Row I/O是指Right和Left I/O。Hybrid mode是指由Column和Row I/O混合。

從表1中可以看出，Cyclone III只有6系列的FPGA在Top和Bottom BANK才支持200MHz頻率的DDR2。為了滿足設(shè)計(jì)要求，我們將4片DDR2分別掛在FPGA的Top和Bottom的4個(gè)BANK。

從表2中可以看到，EP3C16 F484封裝系列的FPGA每個(gè)邊所支持的DQS和DQ組。因?yàn)樵贒DR中若干個(gè)DQ是由一個(gè)DQS進(jìn)行采樣的，所以FPGA以若干個(gè)DQ和一個(gè)DQS為最小單位進(jìn)行分組。

表1 FPGA BANK管腳速度

表2 FPGA BANK DQ

如Number of ×8 Groups，其中×8就是指8個(gè)DQ，一個(gè)DQS即和8個(gè)DQ組成一個(gè)Group（即這8個(gè)DQ由這一個(gè)DQS進(jìn)行采樣）。FPGA分別有Left、Right、Top和Bottom四邊，其表示FPGA的每邊都支持4個(gè)DQS和DQ組，而每一邊有兩個(gè)Bank，即每個(gè)Bank都支持兩個(gè)×8架構(gòu)的DQS和DQ組。圖2展示了FPGA的DQS和DQ組的分配。

由于設(shè)計(jì)中采用Top和Bottom邊的Bank，這里以第3個(gè)Bank的DQS為例進(jìn)行說明。在圖2可以看到，F(xiàn)PGA的Bank3有三個(gè)DQS，分別為DQS1B、DQS3B和DQS5B。由于每組DQ都要和各自對(duì)應(yīng)的DQS配對(duì)，所以理論上DQS1B應(yīng)該和DQ1B為一組，DQS3B應(yīng)該和DQ3B為一組，DQS5B應(yīng)該和DQ5B為一組。

圖2 FPGA BANK DQS/DQ

表3中展示了FPGA管腳中的DQ分配?？梢钥吹剑瑢?duì)于×8架構(gòu)的DDR2，Bank3只有DQ3B和DQ5B，且DQ3B和DQ5B各自都有9個(gè)，DQS1B其實(shí)沒有屬于自己的DQ。其實(shí)在Bank4中還有1個(gè)DQS2B和8個(gè)DQ2B，1個(gè)DQS4B和8個(gè)DQ4B。

而對(duì)于×16架構(gòu)的DDR2，則有18個(gè)DQ3B和1個(gè)DQ5B，DQS1B沒有屬于自己的DQ，其實(shí)在Bank4中還有17個(gè)DQ5B，這樣在Bank3和Bank4中一共就有18個(gè)DQ5B。

表3 FPGA BANK Pin

在×32架構(gòu)的DDR2中則有19個(gè)DQ5B，沒有DQ1B和DQ3B，在Bank4中還有17個(gè)DQ5B，這樣在Bank3和Bank4中一共就有36個(gè)DQ5B。

對(duì)于×9/×18/×36這里暫不討論，其為QDRII SRAM設(shè)計(jì)，其多余DQ做奇偶校驗(yàn)使用。

從表4可以看出FPGA是如何支持不同架構(gòu)的DDR2的，還可以知道同一組的DQ不一定在同一個(gè)Bank，不是每個(gè)DQS都有自己的DQ，即使DQS有自己的DQ，其DQ數(shù)量也不一定相同。


圖3 FPGA DQ/DQS Pin

除了DQS和DQ外，DM也有自己專用的管腳，在DDR中DM為數(shù)據(jù)信號(hào)（DQ）屏蔽位，由于DM是以8bit為單位起作用的，所以理論上只要有8個(gè)DQ便會(huì)有一個(gè)DM。事實(shí)上在FPGA的Bottom邊Bank中DM的分配如表5所示。

表4 不同架構(gòu)DDR2的支持?jǐn)?shù)量


表5 FPGA的Bottom邊Bank中DM的分配


了解清楚FPGA中的DQS，DQ和DM分配，我們?cè)賮砜纯碊DR2的架構(gòu)。DDR2選用Micron生產(chǎn)的MT47H16M16BG-5E，其大小為16M×16bit，每一片分為4個(gè)Bank，每個(gè)Bank為4M×16bit。如果看到×16，你就認(rèn)為這是一片×16架構(gòu)的DDR2，再按照FPGA上×16架構(gòu)的管腳去設(shè)計(jì)，那就大錯(cuò)特錯(cuò)了。

雖然該DDR2是16位的帶寬，但其卻有兩個(gè)DQS，分別是LDQS和UQDS，也就是說其實(shí)兩個(gè)DQS分別采樣低8位和高8位數(shù)據(jù)。請(qǐng)注意，即使是32位帶寬的DDR，其也有4個(gè)DQS，每個(gè)DQS也僅采樣8位數(shù)據(jù)。至于有沒有一個(gè)DQS能采樣16位或32位數(shù)據(jù)的DDR，這就不為人知了。

確定了DDR2的架構(gòu)，就確定了DDR2和FPGA的DQS，DQ和DM的連接方式。由于我們采用的是×8架構(gòu)的DDR2，所以一組內(nèi)的DQ僅需要8個(gè)，而有的DQS帶有9個(gè)DQ，在選用該DQ的時(shí)候只要任意選取其中的8個(gè)就可以。

在SSTL-18電平標(biāo)準(zhǔn)中，為了實(shí)現(xiàn)更高的信號(hào)頻率，輸入信號(hào)需要和一個(gè)參考電壓（VREF）進(jìn)行比較輸出后才被認(rèn)為是實(shí)際輸入。因?yàn)镈DR2采用1.8V的SSTL電平進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所以DDR2所在FPGA 的Bank電壓必須是1.8V，F(xiàn)PGA就必須在該Bank使用VREF參考電壓。在FPGA的每個(gè)Bank都有兩個(gè)VREF參考電壓輸入，該Bank的I/O分屬這兩個(gè)VREF組，如在Bank3存在VREFB3N0和VREFB3N1。

當(dāng)FPGA的一個(gè)Bank存在VREF輸入或雙向的管腳時(shí)，為了防止輸出的開關(guān)噪聲轉(zhuǎn)移到VREF和限制輸送到VCCIO的噪聲水平，F(xiàn)PGA輸入輸出IO的位置有如下限制（BGA封裝的FPGA）：

• 每個(gè)VREF最多支持32個(gè)輸入；

• 在Top和Bottom Bank每12個(gè)連續(xù)的管腳最多只支持9個(gè)輸出。在Right和Left Bank每14個(gè)連續(xù)的管腳最多只支持9個(gè)輸出；

• 在VREF和輸出管腳（除了DQ和DQS）之間必須用兩個(gè)輸入或空腳進(jìn)行隔離。一般是空著，因?yàn)檩斎霑?huì)因?yàn)檩敵龉苣_引來的噪聲而導(dǎo)致讀入不正確；

• 如果不需VREF參考，一般在一個(gè)BANK中只要全部是同組數(shù)據(jù)總線或地址總線時(shí)，輸出個(gè)數(shù)不受限制（即受同一個(gè)OE控制的不受限制）。如果不是同一個(gè)OE控制就要滿足上面約束關(guān)系，以及驅(qū)動(dòng)型接口要考慮驅(qū)動(dòng)能力。

圖4所示，輸出腳必須和VREF用兩個(gè)輸入或空腳進(jìn)行隔離。另外，由于DDR2的地址和控制線都是輸出管腳，所以在手動(dòng)分配管腳的時(shí)候很容易超出2所述的限制，而且FPGA是BGA封裝，只從SYMBOL上很難看出管腳的連續(xù)性。FPGA的管腳在外部看來是方陣排列，但其在FPGA的內(nèi)部卻是線性的排列，所以硬件設(shè)計(jì)時(shí)最好通過軟件去看管腳的連續(xù)性。在原理圖設(shè)計(jì)分配DDR2所在Bank的輸出管腳時(shí)，建議采用Quartus II軟件自動(dòng)分配，這樣才能更好地避免錯(cuò)誤。


圖4 FPGA Output Pad

此外，還要注意：

• 在Cyclone III系列的FPGA中，不支持差分的DQS，該FPGA的IP只在寫模式下用到DQS，在讀數(shù)據(jù)時(shí)不用（因?yàn)镮P復(fù)位時(shí)IP會(huì)發(fā)送接收訓(xùn)練序列自校正產(chǎn)生捕獲時(shí)鐘）；

•多余不用的DQ可以當(dāng)做普通I/O使用；

• Quartus II軟件自動(dòng)分配管腳時(shí)不會(huì)區(qū)分同一組的DQ和DM，即DQ和DM可以互換（在EP3C16時(shí)僅有TOP邊的DQ和DM可以互換）；

• DDR2的地址和控制線在FPGA上沒有專用管腳，可以任意使用其它IO（只要符合輸入輸出位置限制）；

• 可以使用任何一對(duì)臨近的差分I/O管腳當(dāng)作DDR2的時(shí)鐘。