关于DDR2控制器的设计

　　1 DDR2的介绍

　　DDR2/DDR IISDRAM是由JEDEC进行开发的新生代内存技术标准，它与上一代DDR内存技术标准的不同就是，虽然同是采用了在时钟的上升/下降延同时进行数据传输的基本方式，但DDR2内存却拥有两倍于上一代DDR内存预读取能力。换句话说，DDR2内存每个时钟能够以4倍外部总线的速度读/写数据，并且能够以内部控制总线4倍的速度运行。

　　由于DDR2标准规定所有DDR2内存均采用FBGA封装形式，而不同于目前广泛应用的TSOP/TSOP-II封装形式，FBGA封装可以提供了更为良好的电气性能与散热性，为DDR2内存的稳定工作与未来频率的发展提供了坚实的基础。回想起DDR的发展历程，从代应用到个人电脑的DDR200经过DDR266、DDR333到今天的双通道DDR400技术，代DDR的发展也走到了技术的极限，已经很难通过常规办法提高内存的工作速度；随着Intel处理器技术的发展，前端总线对内存带宽的要求是越来越高，拥有更高更稳定运行频率的DDR2内存将是大势所趋。

　　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，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，用于校准读取数据对读取数据选通脉冲的延迟，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DDR2 SDRAM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，DDR2 SDRAM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和下降沿的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DDR2 SDRAM的读写访问为突发模式。突发写操作需向DDR2提供写命令、写数据和写地址信号，在一个写地址发送突发操作完成信号，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提供读命令和读地址，在一读地址发送突发完成信号，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，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，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。