DDR3的工作原理及DDR3 SDRAM控制器设计与结果分析 - 全文

摘 要 :ＤＤＲ３ ＳＤＲＡＭ 是第二代双倍数据传输速率同步动态随机存储器， 以其大容量、 高速率和良好的兼容性得到了广泛应用。 文中介绍了 ＤＤＲ３ 的特点和操作原理， 以及利用 ＭＩＧ 软件工具在 Ｖｉｒｔｅｘ － ６ 系列 ＦＰＧＡ 中实现 ＤＤＲ３ ＳＤＲＡＭ控制器的设计方法， 并进行硬件测试。 验证了 ＤＤＳ３ 控制器的可行性， 其工作稳定、 占用资源少、 可植性强等。

ＤＤＲ３ ＳＤＲＡＭ 是从 ＤＤＲ、 ＤＤＲ２ 发展而来的一种高 速同步动态随机访问存储器。 由于 ＤＤＲ３ ＳＤＲＡＭ 可以 在脉冲的上升和下降沿都传输数据， 因此传输数据的等 效频率是工作频率的两倍。 与 ＤＤＲ２ 相比， ＤＤＲ３ 主要 有以下优势： （ １） ＤＤＲ３ 采用 ８－ ｂｉｔ 预取技术， 解决了 外部数据传输率与核心频率之间的矛盾， 保证了数据 传输率的持续增长， 同时增加了带宽。 （ ２） ＤＤＲ３ 的核 心电压为 １.５ Ｖ， 增加异步重置与 ＺＱ 校准功能， 功耗 比 ＤＤＲ２ 降低了 ２５％ 。 （ ３） ＤＤＲ３ 存储器模块的地址、 命令、 控制信号和时钟采用了“ ｆｌｙ － ｂｙ” 的拓扑结构， 大幅减轻了地址 ／ 命令 ／ 控制与数据总线的负载， 提高 了信号的完整性［ ２］ 。本文介绍了 ＤＤＲ３ 的特点和操作原理， 利用 ＭＩＧ 软 件工具在 Ｖｉｒｔｅｘ － ６ 系列 ＦＰＧＡ 中实现 ＤＤＲ３ ＳＤＲＡＭ 控 制器的设计， 并给出了硬件测试的结果。

1 DDR3 的操作原理

ＤＤＲ３ ＳＤＲＡＭ 加电后必须按照规定的步骤完成 初始化。 在初始化的过程中应注意对模式寄存器和扩 展模式寄存器的配置。 通过初始化可以完成对 ＣＡＳ 延迟， 突发长度， 突发类型， 输出驱动能力， 片上端接电 阻（ ＯＤＴ） 的值， 伴随 ＣＡＳ 的附加延迟， 片外驱动器校 准等配置［ ３ － ４］ 。 初始化完成后， ＤＲ３ ＳＤＲＡＭ 进入正常 工作状态， 此时可以对其进行寻址和读写操作。

1. 1 预充命令
预充命令用于释放已经打开的 Ｂａｎｋ 和已经打开 的行或者打开新的 Ｂａｎｋ 和新的行。 发送预充命令后， 要经过 ｔＲＰ（ Ｒｏｗ Ｐｒｅｃｈａｒｇｅ ｃｏｍｍａｎｄ Ｐｅｒｉｏｄ， 行预充电 有效周期） 个时钟发送行有效命令。 如果超过了这个 延迟， 那么 Ｂａｎｋ 就会进入空闲状态。 地址线的 Ａ１０ 用于决定是对一个还是所有的 Ｂａｎｋ 进行预 充。 一 个Ｂａｎｋ 被预充之后， 进入空闲状态， 等待接收激活命令。

1. 2 激活命令
在任何读写命令被发送到 ＤＤＲ３ ＳＤＲＡＭ 存储器 的行上之前， Ｂａｎｋ 中的行必须使用激活命令进行激 活。 与激活命令一起被触发的地址用来选择将要存取 的 Ｂａｎｋ 和行， 与读或写命令一起触发的地址位用来选 择突发存取的起始列单元。

1. 3 读命令
读命令用来启动一个突发的存储器读操作， 以访 问一个激活的行。 ＢＡ０ ～ ＢＡ２ 用来选择存储体 Ｂａｎｋ 地址， Ａ０ ～ Ａｉ 提供的输入地址用来选择开始列位置。 在读操作完成之后， 这个行在随后的访问中仍是活跃， 直到该行被预充命令关闭。 随着数据一起传送的还包 括一个双向的数据选通信号 ＤＱＳ， 在读周期中， ＤＱＳ 由 ＤＤＲ 存储器产生， 它与数据时边沿对齐， 其读时 序［ ２］ 如图 １ 所示。

1.4 写命令
写命令用来启动一个突发的 存 储 器 写 操 作， 由 ＦＰＧＡ 向 ＤＤＲ３ ＳＤＲＡＭ 写 入 数 据， 只 需 按 照 ＤＤＲ３ ＳＤＲＡＭ 的工作要求发出相应的指令即可。 ＢＡ０ ～ ＢＡ２ 用来选择存储体 Ｂａｎｋ 地址， Ａ０ ～ Ａｉ 提供的输入地址用 来选择开始列位置。 在写周期中， ＤＱＳ 由 ＤＤＲ３ 控制 器产生， 它 与 数 据 时 中 心 对 齐， 其 写 时 序［ ２］ 如 图 ２ 所示。

1. 5 刷新命令
ＤＤＲ３ 是动态存储器， 必须要定期进行刷新才能 维持其存储的内容。 刷新间隔和 ＤＤＲ３ 存储器芯片的 温度有关。 刷新方式分为两种： 自动刷新和自刷新。 自动刷新用于正常操作模式， 在自动刷新时， 其他命令 无法操 作。 自 刷 新 主 要 用 于 低 功 耗 状 态 下 的 数 据 保存。

2 DDR3 SDRAM 控制器的总体设计

ＤＤＲ３ ＳＤＲＡＭ 控制器可以采用 Ｘｉｌｉｎｘ ｖｉｒｔｅｘ － ６ 系 列 ＦＰＧＡ 提供的免费 ＩＰ 核 ＭＩＧ３. ９ 来设计， 这样可以 缩短开发周期， 减少设计人员的工作量， 简化了系统设 计。 用户只需在 ＭＩＧ 的 ＧＵＩ 图形界面选择对应的芯片型号， 总线宽度和速度级别， 并设置 ＣＡＳ 延迟、 突发 长度、 引脚分配等参数， 即可生成 ＤＤＲ３ ＳＤＲＡＭ 控制 器， 包括 ＨＤＬ 代码和 ＵＣＦ 约束文件。 Ｘｉｌｉｎｘ ｖｉｒｔｅｘ － ６ 系列的 ＦＰＧＡ 内存接口解决方案如图 ３ 所示， 该解决 方案屏蔽了内存底层操作的一些细节。 用户设计模块 可以通过用户接口模块直接操纵内存控制器。

ＤＤＲ３ ＳＤＲＡＭ 控制器的主要功能是完成对 ＤＤＲ３ ＳＤＲＡＭ 的初始化， 将 ＤＤＲ３ ＳＤＲＡＭ 复杂的读写时序 转化为用户简单的读写时序， 以及将 ＤＤＲ３ ＳＤＲＡＭ 接 口的双时钟数据转换为用户的单时钟沿数据， 使用户 像操作普通 ＲＡＭ 一样控制 ＤＤＲ３ ＳＤＲＡＭ； 同时， 控制 器还要产生周期性的刷新命令来维持 ＤＤＲ３ ＳＤＲＡＭ 内的数据不需要用户的干预［ ５］ 。 ＤＤＲ３ ＳＤＲＡＭ 控制 器的总体框图［ １］ 如图 ４ 所示， 物理层模块的右侧信号 端口连接 ＤＤＲ３ ＳＤＲＡＭ 的物理引脚。 其主要包括 ４ 部分： 基础模块 （ Ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ） 、 用户界面模块 （ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ） 、 物理层模块（ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌａｙｅｒ） 和存储器控制 模块（ Ｍｅｍｏｒｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ） 。

基础模块主要用来接收通过 ＦＰＧＡ 全局时钟网络 的外部 ２００ ＭＨｚ 的差分时钟， 然后通过数字时钟管理 器（ ＤＣＭ） 产生用户接口时钟、 控制模块使用的时钟和 ＤＤＲ３ 存储器的时钟， 同时产生一个复位信号对整个 ＩＰ 核进行全局复位。 该模块还包括一个延时控制单 元， 用来同步校准设计中的延时单元以减少功耗。

用户接口模块主要控制命令和数据连续的输入和 输出， 用来接收和存储用户的数据， 命令和地址等信 息， 起到缓冲和同步数据的作用。

物理层模块直接与 ＤＤＲ３ ＳＤＲＡＭ 通信， 其主要功 能是 捕 获 ＤＤＲ３ ＳＤＲＡＭ 发 出 的 数 据， 产 生 ＤＤＲ３ ＳＤＲＡＭ 所需要的控制指令信号， 并通过输入输出缓存 发送所有 ＤＤＲ３ ＳＤＲＡＭ 的控制信号、 地址信号以及数 据信号， 同时保证指令与地址， 数据的同步和信号的维持［ ６］ 。

控制模块主要实现对 ＤＤＲ３ 的初始化和命令的操 作， 故其由初始化和命令控制两部分组成。 ＤＤＲ３ 上 电后经过 ２００ μｓ 的稳定期， 再等待 ５００ μｓ 把时钟使能 信号 ＣＫＥ 拉高， 保持至少 １０ ｎｓ 后开始 ＯＤＴ 过程， 然 后对扩展模式寄存器和模式寄存器进行配置， 使能 ＤＬＬ 并对 ＤＬＬ 复位， 校准结束， 信号 ｐｈｙ＿ ｉｎｉｔｉａｌ＿ ｄｏｎｅ 拉高则表示初始化完成。 初始化完成后， 控制模块自 动产生命令和控制信号并按照 ＤＤＲ３ 的读写时序要求 送给 ＤＤＲ３， 命令发送完毕后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。 整个过程用户完全不用干涉存储器的自动刷 新、 激活和预充电过程， 这些控制命令和过程都会有控 制器自动发出和完成。

通常情况下， ＤＤＲ３ ＳＤＲＡＭ 存储器仅用作数据的存， 可以将 ２ ＧＢ 的 ＤＤＲ３ ＳＤＲＡＭ 成一个 虚拟的 ＦＩＦＯ， 如图 ５ 所示， 并将这个虚拟的 ＦＩＦＯ 划分 为上行 ＦＩＦＯ 和下行 ＦＩＦＯ 两部分。

3 实验结果

为验证 ＤＤＲ３ 控制器 ＩＰ 核的正确性， 将生成的代 码添加到 ＩＳＥ 工程前对采用 ＭＩＧ 自动生成的测试模 块在 Ｘｉｌｉｎｘ ＩＳＥ１４.２ 编程环境下进行功能仿真验证。

该模块可以向存储器发出一系列读写命令， 并对写人 的数据和读回的数据进行比较， 从而验证控制器的正确性， 仿真结果如图 ６ 所示。 从图 ６ 可以看到 ｐｈｙ＿ｉｎｉｔ＿ｄｏｎｅ 信号置 １ 表明初始化完成， 否则为 ０。 只有当ａｐｐ＿ｅｎ ＝ １ 和 ａｐｐ＿ｒｄｙ ＝ １， ａｐｐ＿ｃｍｄ 和 ａｐｐ＿ａｄｄｒ 才能写人成功。 当 ａｐｐ＿ｃｍｄ ＝ ０００ 时， 当前为写操作； 当 ａｐｐ＿ ｃｍｄ ＝ ００１ 时， 当前为读操作。 突发长度 ＢＬ 的值设置 为 ８， 地址位每增加 ６４， 数据端口同时写人两个 ２５６ 位 的数据， 可以通过 ｅｒｒｏｒ 这个比较信号验证 ＤＤＲ３ 控制 器正确与否， 在检测出读写数据项的同时该信号输出 低电平。 从仿真结果可以看出比较信号 ｅｒｒｏｒ 输出始 终为低电平， 说明写人和读取的数据相同， 所以该测试 模块仿真通过。

为确保设计的可行性和可靠性， 对设计的控制器 进行约束和综合实现， 将产生的 ｂｉｔ 文件下载到 ＦＰＧＡ 进行硬 件 测 试。 硬 件 测 试 过 程 采 用 Ｘｉｌｉｎｘ 公 司 的 ＸＣ６ＳＬＸ２４０Ｔ ＦＰＧＡ 以及 Ｍｉｃｒｏｎ 的容量为 １ ＧＢ、 数据位 宽 ６４ ｂｉｔ、 含 １０ 位列地址线、 １４ 位行地址线和 ３ 位 Ｂａｎｋ 地址线的 ＭＴ４ＪＳＦ１２８６４ＨＺ 芯片。 Ｘｉｌｉｎｘ 提供了一个集 成于 ＩＳＥ 软件中的 ＦＰＧＡ 片上调试工具 Ｃｈｉｐｓｃｏｐｅ， 它 可以捕获和显示实时信号， 观察在系统设计中的硬件 和软件之间的相互作用。 其原理是设定采样点数， 实 时采用数据并存储到 ＦＰＧＡ 片内的 ＲＡＭ 中， 然后通过 ＪＴＡＧ 接口传送到 ＩＳＥ 来显示。 由于 ＲＡＭ 容量有限， 一次采样到的数据也有限， 因此在硬件测试时， 以循环 读写的方式进行读写数据指令的执行， 以便在逻辑分 析仪中捕获到数据。 对写人数据和读回数据进行比较 时， 用户可以通过 ｅｒｒｏｒ 这个比较信号验证 ＤＤＲ３ 控制 器的正确与否， 在检测出读写数据项同时该信号输出 低电平。 用调试工具 Ｃｈｉｐｓｃｏｐｅ 捕获到的数据以及指 示和相关控制信号如图 ７ 所示， 读写比较信号 ｅｒｒｏｒ 输出始终为低电平， 说明写人和读取的数据相同， 硬件验证通过。

4 结束语

通过对 ＤＤＲ３ 操作原理的分析， 给出了 ＤＤＲ３ 控 制器的设计及实现。 将 ＤＤＲ３ 控制器在 Ｘｉｌｉｎｘ 公司的 Ｖｉｒｔｅｘ － ６ 系列 ＦＰＧＡ 芯片上实现， 在板卡上能够控制 Ｍｉｃｒｏｎ 公司的 ＤＤＲ３ 芯片稳定地读写数据。 经测试验 证该 ＤＤＲ３ 控制器的可行性， 其工作稳定可靠， 占用逻 辑资源较少， 且具有较高的可移植性以及简单的用户 接口， 在此基础上进行系统开发， 将缩短系统开发周 期， 同时也降低了系统成本。