采用Xilinx 和FPGA的DDR2 SDRAM存储器接口控制器的设计

　　Virtex-4 和 Virtex-5 FPGA 存储器接口参考设计支持两种读数据采集技术。Virtex-4FPGA 支持的直接时钟技术延迟了读数据，因而使用 IOB 的输入 DDR 触发器中的系统时钟可直接寄存读数据。为将 FPGA 时钟对齐到最佳状态，对每个读数据位都会单独进行校验。这种技术为高达 240 MHz 的时钟速率提供了足够的性能。

　　第二种技术称为基于 DQS 的技术。此技术用于更高的时钟速率，Virtex-4 和 Virtex-5FPGA 二者都支持此技术。它使用存储器 DQS 来采集相应的读数据，数据被此 DQS的延迟信号(通过一个局部 I/O 时钟缓冲器 (BUFIO) 分配)寄存。此数据然后在触发器的第二级与系统的时钟域同步。IOB 中的输入串行器/ 解串器功能用于读数据采集;第一对触发器把数据从延迟的 DQS 域中传输到系统的时钟域(图8)。

　　两种技术都涉及到 tap 延迟 (IDELAY) 单元的应用, 在由校验逻辑实现的校验程序中，这些延迟单元会有所变化。在系统初始化期间，会执行此校准程序以设置 DQS、数据和系统时钟之间的最佳相位。这样做的目的是使时序余量最大化。校准会消除任何由过程相关的延迟所导致的不确定性，从而补偿对于任何一块电路板都不变的那些通路延迟成分。这些成分包括 PCB 迹线延迟、封装延迟和过程相关的传播延迟成分(存储器和 FPGA 中都有)，以及 FPGA I/O 模块中采集触发器的建立/ 保持时间。有的延迟是由系统初始化阶段的过程、电压和温度所决定的，校准即负责解决这些延迟的变动。

　　在校准过程中会增加 DQS 和数据的延迟 tap 以执行边沿检测，检测方式是通过连续从存储器中读回数据并对预编写培训模式或存储器 DQS 本身进行采样，直到确定数据选通脉冲 (DQS) 的前沿或前后两沿。之后数据或 DQS 的 tap 数被设定，以提供最大的时序余量。对“基于 DQS”的采集而言，DQS 和数据可以有不同的 tap 延迟值，因为同步实质上分为两个阶段：一个先在 DQS 域中采集数据，另一个把此数据传输到系统时钟域。

　　在更高的时钟频率下，“基于 DQS ”的采集方法就变得十分必要，其二阶段方法能提供更好的采集时序余量，因为 DDR 时序的不确定性主要限于 IOB 中触发器的第一级。此外，因为使用 DQS 来寄存数据，与时钟-数据 (Tac) 变化相比较， DQS -数据变化的时序不确定性要小一些。例如，对于 DDR2 而言，这些不确定性就是由器件的tDQSQ 和 tQHS 参数给出的。

　　正如 Spartan-3 系列 FPGA 中所实现的那样，Virtex-4 和 Virtex-5 FPGA 的写时序由DCM 所支持，此 DCM 生成系统时钟的两相输出。存储器的 DQS 由一个输出 DDR 寄存器来输出，这个 DDR 寄存器由系统时钟的同相时钟驱动。写数据则由超前系统时钟90° 的一个 DCM 时钟输出进行时钟控制。这种技术确保了在 FPGA 的输出部分，DQS 与写操作的数据中心对齐。

　　此设计的其他方面包括整体控制器状态机的逻辑生成和用户接口。为了使设计人员更容易完成整个设计，Xilinx 开发了存储器接口生成器 (MIG) 工具。

　　控制器设计和集成

　　创建存储器控制器是一项极其复杂、精细的任务，FPGA 设计人员要解决面临的一道道难题，就需要 FPGA 随附的工具提供更新水平的集成支持。

　　为设计的完整性起见，对包括存储器控制器状态机在内的所有构建模块加以集成，十分必要。控制器状态机因存储器架构和系统参数的不同而异。状态机编码也可以很复杂，它是多个变量的函数，例如：

　　架构(DDR、DDR2、QDR II、RLDRAM 等)

　　组 (bank) 数(存储器器件之外或之内)

　　数据总线宽度

　　存储器器件的宽度和深度

　　组和行存取算法

　　最后，数据与 DQS 比 (DQ/DQS) 这类参数会进一步增加设计的复杂性。控制器状态机必须按正确顺序发出命令，同时还要考虑存储器器件的时序要求。

　　使用 MIG 软件工具可生成完整的设计。该工具作为 CORE Generator 参考设计和知识产权套件的一部分，可从 Xilinx 免费获取。MIG 设计流程(图9)与传统 FPGA 的设计流程非常相似。MIG 工具的优点是不必再为物理层接口或存储器控制器从头生成RTL 代码。

　　MIG 图形用户界面 (GUI) 可用于设置系统和存储器参数(图10)。例如，选定 FPGA器件、封装方式和速度级别之后，设计人员可选择存储器架构，并挑选实际存储器器件或 DIMM。同是这一个 GUI，还可用于选择总线宽度和时钟频率。同时，对于某些FPGA 器件，它还提供拥有多于一个控制器的选项，以适应多个存储器总线接口的要求。另外一些选项可提供对时钟控制方法、CAS 延迟、突发长度和引脚分配的控制。

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