Xilinx DDR2 IP 核控制器设计方案介绍与实现

提出一种便于用户操作并能快速运用到产品的DDR2控制器IP核的FPGA实现，使用户不需要了解DDR2的原理和操作方式的情况下，依然可以通过IP核控制DDR2。简单介绍了DDR2的特点和操作原理，并对DDR2控制器的IP核进行了模块化的划分，分析了每个模块的功能。强调了用户接口功能的完善，并介绍了IP核的操作流程，使每个用户都能轻松的使用该IP核。

1　引言

DDR2作为主流的内存具有存取速度快、存储量大、成本较低等特点，因此被广泛地运用到计算机、汽车导航系统、高清数字电视、数码相机等电子行业的各大领域当中。随着科技的发展，FPGA的技术也在不断进步，FPGA的性能、稳定性、容量等指标已经有了很大的提高。鉴于FPGA的发展和DDR2高性能的表现，越来越多的研发人员会通过FPGA直接对DDR2进行控制，这时他们必须对DDR2的工作原理有深入的了解，但这样就很可能加大了研发周期，直接影响了公司的经济效益。因此设计一款开发人员完全不需要了解DDR2工作原理的DDR2控制器IP核是非常具有实际意义的。

本文提出了一款方便用户使用的DDR2控制器方案。用户不需要了解DDR2的工作原理，只用控制有限的几个用户接口就可以对DDR2进行操作，在产品开发时可以大大缩短开发周期。

2　DDR2的特点

DDR2是基于JEDEC（Joint Electronic Device Engineering Council）标准的外部存储设备，并且DDR2还有着低功耗，高密度和高频率等特点。与DDR相比DDR2具有如下特点：

1）相同的核心的频率的情况下，DDR2的工作频率是DDR的两倍。

2）ODT（on.Die Termination）片内终结器：为了防止信号反射问题，DDR2中集成了ODT。ODT能够吸收线路终端的信号的影响，而且能使得信号质量更高和数据传输更快。

3）OCD(Off-Chip Driver）离线驱动调整：通过调整输出驱动的上拉/下拉电阻值，使得充、放电动作的电压误差减到最小，调整DQS和DQS＃的波形交叉点，平衡参考时钟的上升沿和下降沿波形，从而保证内部输出驱动的稳定。

4）前置CAS（Posted Column Address Strobe）前置列地址选通：通过将CAS信号插到RAS（Row Address Strobe）信号的后一个时钟周期，避免命令和CAS信号的冲突，提高命令总线和数据总线的速度。

3　DDR2的操作原理

对DDR2的操作是一个复杂又繁琐的过程，它的主要操作如下：
1）初始化：DDR2的工作方式是由内部和外部寄存器所控制的，因此在上电时先需要对DDR2的寄存器进行配置，即初始化。通过初始化可以对DLL，Burst Length（突发长度），Burst type（突发类型），CAS Latency（CAS延时），CL latency（CL延时），ODT，OCD，等的配置。

2）行激活和列选址：在DDR2内部存储就好是被分成几个表格一样，L-BANK表示有几张表格，而在每一张表格中首先确定它的行，再确定列来选取所存放的地方。根据DDR2的特征，对DDR2的地址选择分为两步：第一步行激活：片选CS＃拉低，通过BAO、BA1（BA2）来选择L-BANK，把行选通RAS＃拉低，通过地址线输入行地址。第二步列选通：在行激活的下个周期，列选通CAS＃拉低，通过地址线输入列地址。如果是在同一行进行操作时，就可以省略行激活。

3）读／写指令的发布：当列选址完成后，经过AL的延时就可以发出读／写命令对DDR2进行操作了，再经过CL个周期（从读操作的命令发出到第一个数据的延时）的延时第一
个读数据输出或者是经过CL-1个周期（写操作命令的延时比读操作命令的延时少一个周期）的延时输入第一个数据。

4）预充电（Precharge）：DDR2为动态储存体，它的储存体上的电容电压会因为时间或干扰的情况下使电压值变化，从而使数据产生变化。在对另一行进行操作时必须关闭原来的行，重新发送行／列地址，这时会对DDR2产生干扰，因此在重新换行时要对其电容进行有选择的充电操作即进行预充电。

5）刷新（refresh）：DDR2的储存体是体积极小的电容，由于漏电的存在，电容中的电量会不断的减小，而储存体是根据电容电量的多少来判断数据是1或者是0的，为了保证数据的可靠性，就需要定时对存储体上的电容进行有选择的充电，即刷新。

4　DDR2控制器IP核的架构思想

一方面DDR2具有动态存储的特点，它需要在一定的时间和特殊的情况下进行充电，因此在数据传输的时候不能进行不间断传输，而要对传输的数据量进行有效的实时控制。另一方面DDR2又具有高速的特点，在DDR2数据传输方面频率很高，而在FPGA内部的控制方面又不需要达到这么高的频率，因此在FPGA的内部就形成一个跨频域的操作形式。基于上述两方面的原因，在DDR2控制器的IP核上采用控制模块和数据模块分离的方式，再用时钟模块为两个模块输入时钟，最后加了用户接口使用户可以快速和方便的使用IP核。