基于FPGA 的DDR2 PHY 層控制器設(shè)計(jì)

魏騰飛

（西安電子科技大學(xué)，西安，710000）

0 引言

目前由于DDR2 成本低，PCB 設(shè)計(jì)和信號(hào)完整性設(shè)計(jì)的相對(duì)容易，所以仍廣泛使用。DDR2 和以前傳統(tǒng)的SDRAM 不同，DDR2 采用雙倍數(shù)據(jù)速率接口，也就是說(shuō)在相同的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率下DDR2 的接口數(shù)據(jù)速率是SDRAM 的兩倍。而且由于DDR2 接口工作頻率較高，所以DDR2 的數(shù)據(jù)線一般是每8bit 就有一位獨(dú)立的數(shù)據(jù)采樣信號(hào)DQS。這樣就能較好的滿足數(shù)據(jù)采樣的建立和保持時(shí)間。而且DDR2顆粒的工作時(shí)鐘使用差分時(shí)鐘線，能夠減少共模干擾和時(shí)鐘的抖動(dòng)，提高了時(shí)鐘信號(hào)的質(zhì)量。

在一般的工程應(yīng)用中，基本使用的是xilinx 或Altear 公司的FPGA。各自都提供有DDR2 控制器的IP CORE，其使用也比較簡(jiǎn)便。但是在一些特定的應(yīng)用環(huán)境下，并不能達(dá)到最優(yōu)的效果。而且IP CORE 內(nèi)部代碼是不可見的。由此考慮到，設(shè)計(jì)一個(gè)DDR2 PHY 層控制器，把和DDR2 控制相關(guān)的邏輯，全都放在PHY 層。而最底層的DDIO 和上層的應(yīng)用邏輯，則可以根據(jù)實(shí)際情況來(lái)設(shè)計(jì)。這樣，使得邏輯的代碼修改量減小，提高了重用性。下面就Altera 的Cyclone系列的FPGA 來(lái)介紹設(shè)計(jì)的相關(guān)重點(diǎn)。

1 DDR2 PHY 層控制器的整體結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)

DDR2 PHY 層控制器主要由命令解釋邏輯，DDR2 控制邏輯和DDIO 邏輯三部分構(gòu)成。其中DDIO 邏輯，由于各個(gè)系列的IOB 結(jié)構(gòu)有所不同，需要根據(jù)器件，并由工具生成。在Altera 的Cyclone 系列中DDIO 邏輯的IP CORE 使用是免費(fèi)的。本著使用簡(jiǎn)便，和接口信號(hào)少的原則，DDR2 PHY 層控制器的整體結(jié)構(gòu)如圖1。

控制器的信號(hào)介紹，整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘由clk 和clk_90 輸入，clk 和clk_90 同頻，但是clk_90 的相位超前clk 相位為90 度。一般有FPGA 內(nèi)的PLL 鎖相環(huán)提供這兩路時(shí)鐘信號(hào)。Cmd 信號(hào)是控制整個(gè)邏輯的命令線由3bit 組成，命令包括：NOP，BANK_ACTIVE，DDR2_INIT，AUTO_REFRESH，WRITE，READ 和PRECHARGE_ALL。具體的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。address 是控制器的地址輸入線，位數(shù)由 DDR2 顆粒的容量決定。input_data 是數(shù)據(jù)的輸入端。init_valid 信號(hào)輸出高電平表示DDR2 顆粒初始化完成可以進(jìn)行其他操作。data_valid 信號(hào)輸出高電平表示output_data 輸出數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)有效。cmd_ack 信號(hào)為高表示控制器正在執(zhí)行當(dāng)前命令。為低表示當(dāng)前命令完成，并進(jìn)入到NOP 狀態(tài)。

2 DDR2 PHY 層控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 DDR2 PHY 層控制器的DDIO 實(shí)現(xiàn)

DDIO 接口邏輯是連接FPGA 和DDR2 之間的橋梁。它完成如下功能：數(shù)據(jù)輸入，通過(guò)特有的DQS 信號(hào)采樣。數(shù)據(jù)輸出，并產(chǎn)生相應(yīng)的DQS 信號(hào)。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)速率的轉(zhuǎn)換。因?yàn)樵谙到y(tǒng)時(shí)鐘頻率和DDR2顆粒數(shù)據(jù)位寬一定的情況下，F(xiàn)PGA 內(nèi)部一般是單沿?cái)?shù)據(jù)處理的，而DDR2 是雙沿采樣，所以如果DDR2 顆粒的數(shù)據(jù)位寬為16bit 的情況下，那么轉(zhuǎn)換到FPGA 內(nèi)部就形成了一拍32bit 的數(shù)據(jù)位寬。

在Altera 的Quartus 中的MegaWizard Plug 先生成8bit 的DDIO 和1bit 的DDIO_OUT 的例化模塊。具體結(jié)構(gòu)如圖2。

其 中 的Clock delay control circuitry 是Cyclone 系 列FPGA 內(nèi)部的一個(gè)固件邏輯。固定連接在一個(gè)PIN 上面，所以在分配PIN 的時(shí)候，要把DQS 分配在有延時(shí)功能的PIN 上面。Cyclone系列構(gòu)成的高數(shù)據(jù)速率的DDIO 接口，在寫周期時(shí)，其DQS 信號(hào)是由DDR2 PHY 控制器產(chǎn)生的，而DQS 的邊沿和DQ 數(shù)據(jù)組的中心對(duì)齊。在讀周期時(shí)，其DQS 信號(hào)是由DDR2 顆粒產(chǎn)生的，而DQS 的邊沿和DQ 數(shù)據(jù)組的邊沿對(duì)齊。這個(gè)要特別注意。因此在讀周期時(shí)，DQS通過(guò)FPGA 內(nèi)部的Clock delay control circuitry 模塊，將DQS的邊沿和DQ 數(shù)據(jù)組的中心對(duì)齊，實(shí)現(xiàn)DQ 數(shù)據(jù)組的采樣。在寫周期時(shí)，DQS 的邊沿和DQ 數(shù)據(jù)組的邊沿相差90 相位移，所以要用超前90 度的Clk_90 來(lái)打DQ 數(shù)據(jù)，而用clk 來(lái)輸出DQS，這樣就實(shí)現(xiàn)了DQS 的邊沿和DQ 數(shù)據(jù)組的中心對(duì)齊。

2.2 DDR2 PHY 層控制器的邏輯實(shí)現(xiàn)

本邏輯是整個(gè)DDR2 PHY 層控制器的核心，所有操作DDR2 顆粒的工作，都由其完成。在應(yīng)用本控制器前，需要根據(jù)DDR2 顆粒器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)，來(lái)設(shè)置一些合適的參數(shù)才能正常工作。包括上電延時(shí)，用來(lái)等待時(shí)鐘信號(hào)穩(wěn)定POWER_UP_DELAY 延時(shí)，空操作到預(yù)充電的NOP_TO_PRE_DELAY 延時(shí)，tRCD，tRP，tMRD，tRFC，MRS，EMRS 等。由于本控制器使用了verilog 的parameter 來(lái)定義。使得參數(shù)可以任意修改，來(lái)應(yīng)用在多種DDR2 器件上面。DDR2 大部分的不同器件的參數(shù)是一樣的，有時(shí)只是，不同廠家的參數(shù)稍有不同而已。從而使得模塊的靈活性增強(qiáng)。參數(shù)的設(shè)置如下：

以上參數(shù)都是參考DDR2 芯片手冊(cè)設(shè)定的，本例參考MT46V16M16 的器件手冊(cè)設(shè)置的。在使用過(guò)程當(dāng)中如果想將tRFC改為90ns 而系統(tǒng)時(shí)鐘改為125MHz，其他不變時(shí)，那么只需這樣例化即可：

這樣根據(jù)具體的DDR2 的器件，來(lái)例化一個(gè)可用的PHY 層控制器。

DDR2 PHY 層控制器是由一個(gè)狀態(tài)機(jī)來(lái)控制運(yùn)行的，通過(guò)當(dāng)前的命令和當(dāng)前的狀態(tài)來(lái)決定下一步的操作。而且為了提高時(shí)鐘頻率和滿足時(shí)序要求，控制器中用了流水線。當(dāng)在連續(xù)讀或連續(xù)寫的時(shí)候，流水線內(nèi)部邏輯的處理速度達(dá)到時(shí)鐘頻率。但是單次操作時(shí)效率會(huì)有所降低，所以因盡量多使用連續(xù)的讀寫操作來(lái)達(dá)到較高的數(shù)據(jù)吞吐速率。下圖介紹了DDR2 PHY 層控制器的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)圖3，表2 為各狀態(tài)的描述表。

如圖3 所示，這里主要介紹NOP，AUTO_REFRESH，READ 和WRITE。NOP 是控制器的空閑狀態(tài)。在沒有其他操作的時(shí)候，應(yīng)該給出NOP 命令使控制器跳入空閑狀態(tài)。好處是在NOP 狀態(tài)下，DDR2 顆粒的nCS 為高，沒有選中DDR2 顆粒，這樣可以降低部分功耗。在READ 和WRITE 時(shí)，控制器輸入或輸出的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，由READ和WRITE 命令給定的時(shí)鐘周期個(gè)數(shù)決定。例如READ 命令給出的2個(gè)時(shí)鐘周期，那么就會(huì)執(zhí)行2個(gè)讀命令，WRITE 命令同理。唯一的區(qū)別是在READ 命令中，由于使用了流水線，所以讀出的數(shù)據(jù)有效必須由data_valid 信號(hào)來(lái)指示。即在發(fā)出READ 命令后，當(dāng)data_valid 信號(hào)為高時(shí)表示控制器的輸出數(shù)據(jù)線的數(shù)據(jù)是有效的，可以進(jìn)行采樣。AUTO_REFRESH 為刷新命令，最好跟據(jù)具體的應(yīng)用情況來(lái)安排AUTO_REFRESH 命令的發(fā)出周期和發(fā)起時(shí)間。但是在某些應(yīng)用中甚至可以不用AUTO_REFRESH 命令。比如在一些視頻圖像數(shù)據(jù)緩沖的應(yīng)用中，數(shù)據(jù)只是在DDR2 中臨時(shí)存儲(chǔ)，但很快就會(huì)被取走，寫入和取走的間隔小于64ms。在這樣的應(yīng)用中，就可以不用AUTO_REFRESH 命令。這樣不但簡(jiǎn)化了DDR2 的操作，也使得DDR2 的數(shù)據(jù)吞吐的可用帶寬提高。

下面介紹DDR2 PHY 層控制器的讀寫時(shí)序。仿真是在modelsim6.0 下進(jìn)行的行為仿真。DDR2 用的是Micron SDRAM DDR2 的BFM（MT46V16M16），此BFM 帶有狀態(tài)命令打印，可以實(shí)時(shí)的在命令行里看到BFM 的狀態(tài)，比較方便。在進(jìn)行讀寫時(shí)，提前要激活BANK。圖省略了BANK 的激活。

3 結(jié)論

本文介紹的DDR2 PHY 層控制器,在Cyclone II 系列的FPGA 上使用，占用的資源情況和性能如下表3：

可以看出它的資源占用率是比較少的，而且工作頻率也較高。而Altear 的DDR and DDR2 SDRAM Controller 9.0 版本的IP CORE 在Cyclone II 系列上使用頻率為167MHz。在實(shí)際的項(xiàng)目應(yīng)用中，操作簡(jiǎn)便，性能良好。應(yīng)用在不同的DDR2 器件上只需修改參數(shù)即可應(yīng)用。加快了項(xiàng)目的進(jìn)度。

[1] Altera.Cyclone III Device Handbook,2010.

[2] Altera.Quartus II 12.0 手冊(cè),2012.

[3] XILINX.針對(duì)Spartan-3 FPGA 的DDR22 SDRAM 存儲(chǔ)器接口,2011.

[4] Micron.Double Data.Rate SDRAM,2010