基于FPGA的DDR內(nèi)存條的控制研究

摘要：隨著數(shù)據(jù)存儲量的日益加大以及存儲速度的加快，大容量的高速存儲變得越來越重要。內(nèi)存條既能滿足大容量的存儲又能滿足讀寫速度快的要求，這樣使得對內(nèi)存條控制的應(yīng)用越來越廣泛。首先介紹了內(nèi)存條的工作原理，內(nèi)存條電路設(shè)計的注意事項，以及如何使用FPGA實現(xiàn)對DDR內(nèi)存條的控制，最后給出控制的仿真波形。

1 內(nèi)存條的工作原理

DDR內(nèi)存條是由多顆粒的DDR SDKAM芯片互連組成，DDR SDRAM是雙數(shù)據(jù)率同步動態(tài)隨機(jī)存儲器的縮寫。DDR SDRAM采用雙數(shù)據(jù)速率接口，也就是在時鐘的正沿或負(fù)沿都需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。在本設(shè)計中采用的內(nèi)存是hynix公司的lGB的HYMD564M646CP6-J。內(nèi)存條的工作原理與單顆粒內(nèi)存芯片的工作原理一樣，主要的控制信號以及控制信號完成的主要功能如表1所示。

以上的控制信號及地址信號都是由差分時鐘信號中CK的正沿觸發(fā)。DDR SDRAM必須按照一定的工作模式來完成初始化，完成初始化后才能進(jìn)入到讀寫過程。DDR SDRAM的控制流程如圖1所示。

初始化的過程為：(1)上電后，延時200us等待時鐘穩(wěn)定，然后將CKE拉高，執(zhí)行一次NOP或者DESELECT操作。(2)執(zhí)行一次precharge all操作。(3)設(shè)置擴(kuò)展模式寄存器(BAl為低電平BA0為高電平)使能DLL。(4)設(shè)置模式寄存器(BAl，BA0均為低電平)復(fù)位DLL。(5)執(zhí)行一次pre-charge all指令。(6)再經(jīng)過2個自刷新(Auto refresh)指令后再次設(shè)置模式寄存器設(shè)置操作模式。(7)延時200個周期才能進(jìn)行讀操作。DDR SDRAM的擴(kuò)展模式寄存器和模式寄存器的定義如圖2和圖3所示。

完成初始化后進(jìn)入圖1中的IDEL狀態(tài)，此時可以進(jìn)行讀寫操作。在進(jìn)行寫操作時，首先要進(jìn)入Row active狀態(tài)，此時選中要操作的bank與row。然后執(zhí)行NOP操作等待tRCD的時間后可以進(jìn)入寫狀態(tài)。

2 內(nèi)存條電路設(shè)計

由于DDR SDRAM采用的時鐘頻率較高，加上DDRSDRAM的數(shù)據(jù)率為時鐘速率的兩倍，DDR SDRAM對時鐘質(zhì)量的要求很高，必須保證時鐘上升沿的時間小于5％的時鐘周期。DDR SDRAM的數(shù)據(jù)線與相對應(yīng)的數(shù)據(jù)采樣信號(DQS)的長度要盡量相等，來保證數(shù)據(jù)的采樣窗口盡量要大一些。由于信號質(zhì)量要求高，我們將所有的信號線都采用微電線和帶狀線來傳輸。使用FPGA和內(nèi)存條的IBIS模型進(jìn)行仿真來保證設(shè)計中信號的完整性，我們將信號分為3類，第一類，由FPGA到DDR SDRAM的時鐘差分信號；第二類，由FPGA到DDR SDRAM的控制線；第三類，F(xiàn)PGA與DDR SDRAM之間的雙向傳輸線。對三類IBIS模型的herperlinx仿真如圖4：

通過仿真我們可以確定3類信號線中帶狀線和微帶線板厚，銅厚，以及信號線的線寬，線長等參數(shù)。

3 FPGA對DDR SDRAM的控制

本設(shè)計中使用的FPGA是ALTERA公司的cyclone II系列的EP2C20F484C6。對內(nèi)存條的工作模式設(shè)置為BL=4，CL=3，如圖7為FPGA對DDR SD-RAM的控制模塊框圖。

其中，Clkin為外部輸入的時鐘信號，為了使FPGA到DDR SDRAM的兩對時鐘信號的質(zhì)量盡量好，使用FPGA內(nèi)部的兩個鎖相環(huán)輸出差分時鐘信號。為了保證鎖相環(huán)輸出的兩路差分信號相位一致，在設(shè)計PCB時我們使晶振輸出到FPGA兩個PLL輸入的布線距離相等，為了保證兩個鎖相環(huán)輸出信號到達(dá)DDR SDRAM接口時相位一致，由FPGA鎖相環(huán)輸出到DDR SDRAM的接口布線長度相等。

控制模塊采用的工作模式是按照圖2所示的狀態(tài)來跳轉(zhuǎn)，上電以后首先是對DDR SDRAM進(jìn)行初始化，初始化完成以后就可以進(jìn)出等待工作的狀態(tài)。此時刷新計數(shù)器開始計數(shù)，等待7．8 us后給出刷新請求，在空閑狀態(tài)時(IDEL)刷新請求的優(yōu)先級最高，響應(yīng)刷新請求后執(zhí)行REFR-ESH指令同時復(fù)位刷新計數(shù)器。初始化后如果FIF00的讀空標(biāo)志為O說明FIF00中有數(shù)據(jù)，此時可以進(jìn)入到寫狀態(tài)。由于采用的是BL=4的工作狀態(tài)，寫操作每次都寫入4個64位的數(shù)。所以，我們將輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行并位成256位的數(shù)，每次寫操作只需要從FIF00中讀出一個256位的數(shù)。假設(shè)我們采用1OOMHz的時鐘，每寫4個64位的數(shù)大概需要10個時鐘周期。如果輸入的數(shù)據(jù)位寬為16位，那么由外部傳給FPGA的數(shù)據(jù)率要小于160 MHz。寫操作完成的時候進(jìn)入空閑狀態(tài)，等待刷新標(biāo)志或者讀空標(biāo)志。讀的時候需要等待系統(tǒng)發(fā)出讀命令(read)，然后進(jìn)入讀狀態(tài)，讀出的數(shù)據(jù)由Ddrout[127：O]送到FIF01和FIF02中。通過控制FIF01和FIF02的寫請求信號來實現(xiàn)將數(shù)據(jù)分別寫入。讀的時候BL=4每次讀出4個64位數(shù)，執(zhí)行一次讀操作大約需要10個時鐘周期。如果輸出的數(shù)據(jù)位寬為16位，那么數(shù)據(jù)由FPGA向外傳輸?shù)乃俾室∮?60 MHzo控制模塊在讀寫內(nèi)存條的時候控制數(shù)據(jù)模塊來實現(xiàn)數(shù)據(jù)率為時鐘速度的兩倍，數(shù)據(jù)模塊使用兩個時鐘一個是系統(tǒng)時鐘一個是2倍的系統(tǒng)時鐘。

因為DDR SDRAM的控制相對復(fù)雜，我們可以使用內(nèi)存條的vefilog模型，通過對內(nèi)存條的vefilog仿真，我們可以知道自己程序的正確性，圖8為modelsim中的仿真波形。如果仿真過程正確，我就可以對程序進(jìn)行編譯，布局布線，然后下載到FPGA中，由于布局布線的延時，輸出的信號波形與仿真波形不一致，此時，可以通過調(diào)整FPGA內(nèi)部的鎖相環(huán)來調(diào)整時序，實現(xiàn)對內(nèi)存條的控制。

4 結(jié)束語

通過介紹內(nèi)存條的工作原理，以及內(nèi)存條電路設(shè)計時的注意事項的介紹，我們可以更合理的實現(xiàn)FPGA與內(nèi)存條的互連。最后，給出FPGA內(nèi)部對內(nèi)存條控制的方法，以及給出仿真波形，實現(xiàn)對內(nèi)存條的控制。實現(xiàn)FPGA對DDRSDRAM內(nèi)存條的控制，可以實現(xiàn)大容量高速的數(shù)據(jù)存儲，在工程中的得到廣泛的應(yīng)用。（山西電子技術(shù) 作者：李 旋，劉慶華，廖丁毅 桂林電子科技大學(xué)）

[1].DDRSDRAMdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/DDRSDRAM_256478.html.
[2].PCBdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/PCB_1201640.html.