Spartan-3的FPGA與DDR2 SDRAM的接口實現

概述： 本應用文檔描述了賽靈思斯巴達3系列FPGA與DDR2 SDRAM的接口實現。本文檔提供了DDR2 SDRAM的簡述，然后一個存儲器接口實現的詳細描述。

DDR2 設備概述：DDR2 SDRAM接口是源同步、支持雙速率傳輸。比如DDR SDRAM ,使用SSTL 1.8V/IO電氣標準，該電氣標準具有較低的功耗。與TSOP比起來，DDR2 SDRAM的FBGA封裝尺寸小得多。通過時鐘上升下降沿的數據集采集，DDR2 SDRAM可以獲得高速傳輸。存儲器使用控制器的差分時鐘。在每個時鐘的上升沿寄存命令信號，雙向數據選通信號DQS與數據信號一同傳輸。在讀階段，DQS由DDR2 SDRAM 設備產生，并且與數據信號邊緣對齊；在寫階段，DQS由控制器產生，并且與數據信號中心對齊。對DDR2 SDRAM的讀寫操作都是突發模式。操作是由激活命令后緊跟一讀寫命令組成的。

接口模式：

DDR2 SDRAM 控制器模塊：

控制器：?

控制器支持4或者8字節長度的突發傳輸，三個CAS延時?？刂破髟诩虞d命令時初始化EMR2、EMR3寄存器并產生差分數據選通信號?？刂破鹘邮苡脩裘?，對用戶命令譯碼并產生讀、寫和刷新命令?？刂破魍瑫r產生其他模塊的接口信號。

數據路徑：數據路徑模塊負責與存儲器進行數據的發送和接收。主要功能包括：

# 寫數據到存儲器

#從存儲器讀數據

#將存儲器時鐘域數據轉到FPGA時鐘域

寫數據和選通信號由FPGA扇出，選通信號與數據信號中心對齊。對于DDR2 SDRAM存儲器來說，選通信號是非自由運行。為了滿足這些要求，使用FPGA主時鐘移相90和270度將寫數據扇出。存儲器讀數據和源同步時鐘邊緣對齊。

讀數據捕獲：

在讀數據階段，DDR2設備發送DQS選通信號和數據信號到FPGA。DQS與數據DQ邊緣對齊。數據在每個時鐘邊緣更新，在FPGA邏輯中，使用DQS延時信號去捕獲數據DQ信號。在FPGA中不使用IOB寄存數據而是用基于LUT的雙端口專用RAM用于數據捕獲。這是最簡單的數據捕獲模式，不需要在系統時鐘域進行二次采集。LUT RAM配置為成FIFO對，每個數據都被寫入到兩個FIFO。如圖3。這些16比特深度的FIFO是異步操作且與讀寫端口獨立。

讀數據時鐘：

在延時的DQS上升沿從DDR的讀取數據寫到FIFO_0，在下降沿將數據寫到FIFO_1。而數據卻能同時從FIFO中讀出。

FIFO寫指針由延時的DQS驅動。FIFO的讀指針是由FPGA內部時鐘驅動。當FIFO寫使能為高時，FIFO可以被寫入數據。FIFO寫使能信號由RST_DQS_DIV在每個DQS前導信號產生。

RST_DQS_DIV信號驅動到IOB并且輸出，經過一個回環延時后輸入到輸入緩沖器。環路延時的長度等于前向的時鐘信號長度加上DQS的長度。LUT延時電路用于延時DQS。這就保證了RST_DQS_DIV和DQS延時電路在進入FIFO之前具有相同的路徑和相似的延時。

寫使能產生：

FIFO_0寫使能信號是RST_DQS_DIV和鎖存的RST_DQS_DIV信號的邏輯“或”輸出。FIFO_1在DQS信號第一個正沿后使能。這個邏輯消除了虛假的數據信號被鎖存到FIFO當中，同時也消除了寫指針的錯誤增加。

RST_DQS_DIV無效時的前導周期，鎖存的輸出使能FIFO和FIFO指針。在DQS最后一個邊沿信號，鎖存的RST_DQS_DIV標記被清除，此時FIFO和FIFO寫指針被禁止。

圖6顯示了DQS_DIV_RST, RST_DQS_DIV和FIFO寫使能信號的時序圖。RST_DQS_DIV和FIFO寫使能信號的總延時不能超過一個存儲器時鐘周期。MIG工具生成必須的DQS_DIV_RST,RST_DQS_DIV以及FIFO寫使能信號約束（UCF)。

當延時的DQS有效時，數據被鎖存到FIFO。FIFO_0、FIFO_1寫指針使能當RST_DQS_DIV 有效的時候。數據在延時的DQS上升沿時寫入FIFO_0,同時寫指針增加。在下降沿數據鎖存到FIFO_1,同時FIFO_1寫指針增加。

結構：

頂層結構模塊產生FPGA時鐘信號和復位信號。DCM用于產生CLK0和CLK90.一個延時校準電路實現這個功能。

延時校準電路：

有幾個因素可以影響在DQ數據有效窗口中的DQS中心。由于進程、電壓、溫度變化、LUT延時可能在250~625pS中變化。在抽頭延時電路中，LUT延時可以測量。?

每個抽頭延時都有輸入反向。一般XC3S700-5FG484的LUT延時為620ps。對于一個166MHZ的設計，大約有5個或者6個LUT在時鐘相位里邊。邊緣行為（10101101011010或者0101001010010）從抽頭電路中產生。

延時電路：

選通信號使用內部延時元件產生，延時元件由LUT和其他資源組成。