用中档FPGA实现高速DDR3存储器控制器

由于系统带宽不断的增加，因此针对更高的速度和性能，设计人员对存储技术进行了优化。下一代双数据速率（DDR）SDRAM芯片是DDR3 SDRAM。 DDR3 SDRAM具有比DDR2更多的优势。这些器件的功耗更低，能以更高的速度工作，有更高的性能（2倍的带宽），并有更大的密度。与DDR2相比，DDR3器件的功耗降低了30％，主要是由于小的芯片尺寸和更低的电源电压（DDR3 1.5V而DDR2 　1.8V）。 DDR3器件还提供其他的节约资源模式，如局部刷新。与DDR2相比，DDR3的另一个显著优点是更高的性能/带宽，这是由于有更宽的预取缓冲（与4位的DDR2相比，DDR3为8位宽），以及更高的工作时钟频率。然而，设计至DDR3的接口也变得更具挑战性。在FPGA中实现高速、高效率的DDR3控制器是一项艰巨的任务。直到最近，只有少数高端（昂贵）的FPGA有支持与高速的DDR3存储器可靠接口的块。然而，现在新一代中档的FPGA提供这些块、高速FPGA架构、时钟管理资源和需要实现下一代DDR3控制器的I/O结构。本文探讨设计所遇到的挑战，以及如何用一个特定的FPGA系列LatticeECP3实现DDR3存储器控制器。  

DDR3存储器控制器的挑战  

针对存储器控制器，DDR3器件面临一系列的挑战。DDR3的工作频率起始于DDR2的更高的工作频率，然后趋于更高的频率。 DDR3接口需要的时钟速度超过400 MHz。这是对FPGA架构的一个重大挑战。针对DDR3存储器控制器的架构，fly-by结构和读写调整变得更加复杂。  

不同于DDR2的T型分支拓扑结构，DDR3采用了fly-by拓扑结构，以更高的速度提供更好的信号完整性。fly-by信号是命令、地址，控制和时钟信号。如图1所示，源于存储器控制器的这些信号以串行的方式连接到每个DRAM器件。通过减少分支的数量和分支的长度改进了信号完整性。然而，这引起了另一个问题，因为每一个存储器元件的延迟是不同的，取决于它处于时序的位置。通过按照DDR3规范的定义，采用读调整和写调整技术来补偿这种延迟的差异。fly-by拓扑结构在电源开启时校正存储器系统。这就要求在DDR3控制器中有额外的信息，允许校准工作在启动时自动完成。  


图1 针对DDR3的Fly-by结构

读和写调整  

在写调整期间，存储器控制器需要补偿额外的跨越时间偏移（对每个存储器器件，信号延迟是不同的），这是由于fly-by拓扑结构及选通和时钟引入的。如图2所示，源CK和DQS信号到达目的地有延迟。对于存储器模块的每个存储器元件，这种延迟是不同的，必须逐个芯片进行调整，如果芯片有多于一个字节的数据，甚至要根据字节来进行调整。该图说明了一个存储器元件。存储器控制器延迟了DQS，一次一步，直到检测到CK信号从0过渡到到1。这将再次对齐DQS和CK，以便DQ总线上的目标数据可以可靠地被捕获。由于这是由DDR3存储器控制器自动做的，电路板设计人员无须担心实施的细节。设计人员会从额外的裕度中得到好处，这是由DDR3存储器控制器中的写调整的特性所创建的。  



图2 写调整的时序图

DDR3存储器时钟资源和接口模块  

LatticeECP3 FPGA的I/O有专门的电路支持高速存储器接口，包括DDR、DDR2和DDR3 SDRAM存储器接口。如图3所示，ECP3系列还有专用的时钟资源，以支持下一代DDR3高速存储器控制器。边缘时钟（ECLK1，ECLK2）是高速，低相偏的时钟，用于时钟控制数据高速地进出器件。在DQS的通道提供时钟输入（DQS）和与该时钟相关的多达10个输入数据位。DQSBUF服务于每个DQS通道，以控制时钟访问和延迟。DQSDLL支持DQS通道（每个器件的左侧和右侧都有一个）。DQSDLL是专门用于构建90度时钟延迟的DLL。　



图3 LatticeECP3 DDR存储器时钟资源

莱迪思的DQS电路包括一个自动时钟转换电路，简化了存储器接口设计，并确保了可靠的操作。此外，DQS的延迟块提供了针对DDR存储器接口所需的时钟对齐。通过DQS的延迟单元至专用的DQS布线资源，向PAD提供DQS信号。温度，电压和工艺变化对专用DQS延迟块产生的差异由设置的校准信号来补偿（7位延迟控制），校准信号源于器件对边的两个DQSDLL。在器件的一半，每个DQSDLL弥补各自边的DQS延迟。通过系统时钟和专用反馈环路，对DLL环进行了补偿。　  

LatticeECP3 FPGA的锁相环用于生成针对DDR3存储器接口时钟。例如，对于一个400 MHz的DDR3接口，通用锁相环用于生成三个时钟：400 MHz的时钟，有90 °相移的400 MHz时钟和200 MHz时钟。有90 °相移的400 MHz时钟用于生成DQ和DQS输出。没有相移的400 MHz时钟用于产生时钟（CLKP和CLKN）到DDR3存储器。200 MHz时钟用于生成地址和命令（ADDR/CMD）信号。该时钟的实现对客户是透明的，可用莱迪思的设计工具自动地实现。

DDR3所需的写调整是通过使用动态延迟输入至专门的DDR3存储器接口的模块，这称为DQSBUFD模块。这个DQSBUFD模块包含了DQS延迟块，时钟极性控制逻辑和数据有效模块。DDR3所需的写调整是通过使用动态延迟（DYNDELAY）输入DQSBUFD模块。根据写调整的要求，可以延迟每个DQS组的输出。

对于DDR3存储器读接口，当存储器件驱动DQS为低电平时，DQS转换检测块检测DQS的过渡情况，并生成读时钟来传输数据至FPGA。  

莱迪思的IPexpress工具可用于生成上面阐述的DDR3存储器接口块。通过提供与高速DDR3存储器接口所需的合适块，这些在LatticeECP3中预制的块使设计人员减少了设计的复杂性。  

DDR3存储器控制器  

莱迪思提供一个全功能的DDR3存储器控制器IP核，接口至符合行业标准的DDR3元件和DIMM。莱迪思的DDR3存储器控制器的框图如图4所示。莱迪思的存储器控制器连接到LatticeECP3 的DDR3存储器接口模块（IO模块）和时钟电路，针对接口至DDR3存储器元件和DIMM，为客户提供现成的解决方案。这个控制器实现了一些功能，以改善整个吞吐量。例如，实现命令流水线，以改善整体吞吐量。该IP使用有效的分组（bank）管理技术来并行管理多个分组。这可以使访问延迟最小，有利于提高存储器的带宽。  



图4 莱迪思DDR3存储器控制器框图

使用莱迪思的IPexpress工具，可以生成LatticeECP3 的DDR3存储器控制器。基于GUI的工具使设计人员能够指定存储器控制器的参数（时钟频率、数据总线宽度、配置等）以生成DDR3存储器控制器IP核。设计人员可以通过图形用户界面定制参数。例如，图形用户界面允许用户定制存储器的时序参数，并用新的时序值重新生成存储器控制器。除了DDR3存储器控制器IP核之外，还提供仿真模型和测试平台，这样设计人员可以在将它按装到电路板上之前，对设计进行测试。

LatticeECP3 DDR3存储器控制器已经用DDR3存储器元件和DIMM做了充分的验证。莱迪思还提供了多种硬件评估板，客户可用于检查LatticeECP3 DDR3存储器控制器的操作，接口至任何DIMM的 DDR3元件。LatticeECP3系列是业界唯一支持DDR3存储器接口的中档FPGA，从而针对下一代的系统设计，为设计人员提供了低成本，低功耗的解决方案。  

结论  

系统带宽的需求继续以指数形式增长。由于DDR3 SDRAM的价格下降了，DDR3 SDRAM芯片将更广泛地用于网络应用。这些增加系统带宽的要求正在推动着存储器的接口速度增加，同时继续使成本降低。用中档的FPGA促进稳定的高速存储器接口设计是LatticeECP3系列FPGA的主要目标。针对下一代存储器控制器的需要，ECP3的专用、灵活的DDR功能意味着现在设计人员有了一个节约成本的解决方案。LatticeECP3 DDR3基元与莱迪思的DDR3存储器控制器IP核的结合大大降低了DDR3存储器接口的复杂性，针对用DDR3实现下一代系统设计，促进更快地将产品推向市场。