基于Cyclone III FPGA的DDR2接口设计分析

DDR SDRAM是Double Data Rate SDRAM的缩写，即双倍速率同步动态随机存储器。DDR内存是在SDRAM内存基础上发展而来的，能够在时钟的上升沿和下降沿各传输一次数据，可以在与SDRAM相同的总线时钟频率下达到更高的数据传输率。虽然DDR2和DDR一样,都采用相同采样方式进行数据传输，但DDR2拥有两倍于DDR的预读取系统命令数据的能力。也就是说，在同样100MHz的工作频率下，DDR的实际频率为200MHz，而DDR2则可以达到400MHz。DDR2还引入了三项新的技术，它们是OCD、ODT和Post CAS。

我们的设计（图1）采用Altera公司Cyclone III系列型号为EP3C16F484C6N的FPGA作为控制器，以Micron公司生产的型号为MT47H16M16BG-5E（16M×16bit）的DDR2 SDRAM为存储器。用一个IP核完成对4片DDR2的控制（带宽为64bit），且DDR2的最高速率可达200MHz，以此完成对数据的高速大容量存储。由于采用一个DDR2的IP核进行控制，所以4片DDR2以地址和控制线共用、数据线独立的方式进行管脚连接。

图1 接口总框图

EP3C16只有TOP和BOTTOM边的BANK支持200MHz DDR2接口（因为DDR2管脚的特殊要求，DQS、DQ、DM管脚在FPGA上都需要专用管脚），且最高速率可达200MHz。

表1中Column I/O是指Top和Bottom I/O，Row I/O是指Right和Left I/O。Hybrid mode是指由Column和Row I/O混合。

从表1中可以看出，Cyclone III只有6系列的FPGA在Top和Bottom BANK才支持200MHz频率的DDR2。为了满足设计要求，我们将4片DDR2分别挂在FPGA的Top和Bottom的4个BANK。

从表2中可以看到，EP3C16 F484封装系列的FPGA每个边所支持的DQS和DQ组。因为在DDR中若干个DQ是由一个DQS进行采样的，所以FPGA以若干个DQ和一个DQS为最小单位进行分组。

表1 FPGA BANK管脚速度

表2 FPGA BANK DQ

如Number of ×8 Groups，其中×8就是指8个DQ，一个DQS即和8个DQ组成一个Group（即这8个DQ由这一个DQS进行采样）。FPGA分别有Left、Right、Top和Bottom四边，其表示FPGA的每边都支持4个DQS和DQ组，而每一边有两个Bank，即每个Bank都支持两个×8架构的DQS和DQ组。图2展示了FPGA的DQS和DQ组的分配。

由于设计中采用Top和Bottom边的Bank，这里以第3个Bank的DQS为例进行说明。在图2可以看到，FPGA的Bank3有三个DQS，分别为DQS1B、DQS3B和DQS5B。由于每组DQ都要和各自对应的DQS配对，所以理论上DQS1B应该和DQ1B为一组，DQS3B应该和DQ3B为一组，DQS5B应该和DQ5B为一组。[p]

图2 FPGA BANK DQS/DQ

表3中展示了FPGA管脚中的DQ分配。可以看到，对于×8架构的DDR2，Bank3只有DQ3B和DQ5B，且DQ3B和DQ5B各自都有9个，DQS1B其实没有属于自己的DQ。其实在Bank4中还有1个DQS2B和8个DQ2B，1个DQS4B和8个DQ4B。

而对于×16架构的DDR2，则有18个DQ3B和1个DQ5B，DQS1B没有属于自己的DQ，其实在Bank4中还有17个DQ5B，这样在Bank3和Bank4中一共就有18个DQ5B。

表3 FPGA BANK Pin

在×32架构的DDR2中则有19个DQ5B，没有DQ1B和DQ3B，在Bank4中还有17个DQ5B，这样在Bank3和Bank4中一共就有36个DQ5B。

对于×9/×18/×36这里暂不讨论，其为QDRII SRAM设计，其多余DQ做奇偶校验使用。

从表4可以看出FPGA是如何支持不同架构的DDR2的，还可以知道同一组的DQ不一定在同一个Bank，不是每个DQS都有自己的DQ，即使DQS有自己的DQ，其DQ数量也不一定相同。


图3 FPGA DQ/DQS Pin

除了DQS和DQ外，DM也有自己专用的管脚，在DDR中DM为数据信号（DQ）屏蔽位，由于DM是以8bit为单位起作用的，所以理论上只要有8个DQ便会有一个DM。事实上在FPGA的Bottom边Bank中DM的分配如表5所示。

表4 不同架构DDR2的支持数量
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表5 FPGA的Bottom边Bank中DM的分配


了解清楚FPGA中的DQS，DQ和DM分配，我们再来看看DDR2的架构。DDR2选用Micron生产的MT47H16M16BG-5E，其大小为16M×16bit，每一片分为4个Bank，每个Bank为4M×16bit。如果看到×16，你就认为这是一片×16架构的DDR2，再按照FPGA上×16架构的管脚去设计，那就大错特错了。

虽然该DDR2是16位的带宽，但其却有两个DQS，分别是LDQS和UQDS，也就是说其实两个DQS分别采样低8位和高8位数据。请注意，即使是32位带宽的DDR，其也有4个DQS，每个DQS也仅采样8位数据。至于有没有一个DQS能采样16位或32位数据的DDR，这就不为人知了。

确定了DDR2的架构，就确定了DDR2和FPGA的DQS，DQ和DM的连接方式。由于我们采用的是×8架构的DDR2，所以一组内的DQ仅需要8个，而有的DQS带有9个DQ，在选用该DQ的时候只要任意选取其中的8个就可以。

在SSTL-18电平标准中，为了实现更高的信号频率，输入信号需要和一个参考电压（VREF）进行比较输出后才被认为是实际输入。因为DDR2采用1.8V的SSTL电平进行数据传输，所以DDR2所在FPGA 的Bank电压必须是1.8V，FPGA就必须在该Bank使用VREF参考电压。在FPGA的每个Bank都有两个VREF参考电压输入，该Bank的I/O分属这两个VREF组，如在Bank3存在VREFB3N0和VREFB3N1。

当FPGA的一个Bank存在VREF输入或双向的管脚时，为了防止输出的开关噪声转移到VREF和限制输送到VCCIO的噪声水平，FPGA输入输出IO的位置有如下限制（BGA封装的FPGA）：

• 每个VREF最多支持32个输入；

• 在Top和Bottom Bank每12个连续的管脚最多只支持9个输出。在Right和Left Bank每14个连续的管脚最多只支持9个输出；

• 在VREF和输出管脚（除了DQ和DQS）之间必须用两个输入或空脚进行隔离。一般是空着，因为输入会因为输出管脚引来的噪声而导致读入不正确；

• 如果不需VREF参考，一般在一个BANK中只要全部是同组数据总线或地址总线时，输出个数不受限制（即受同一个OE控制的不受限制）。如果不是同一个OE控制就要满足上面约束关系，以及驱动型接口要考虑驱动能力。

图4所示，输出脚必须和VREF用两个输入或空脚进行隔离。另外，由于DDR2的地址和控制线都是输出管脚，所以在手动分配管脚的时候很容易超出2所述的限制，而且FPGA是BGA封装，只从SYMBOL上很难看出管脚的连续性。FPGA的管脚在外部看来是方阵排列，但其在FPGA的内部却是线性的排列，所以硬件设计时最好通过软件去看管脚的连续性。在原理图设计分配DDR2所在Bank的输出管脚时，建议采用Quartus II软件自动分配，这样才能更好地避免错误。


图4 FPGA Output Pad

此外，还要注意：

• 在Cyclone III系列的FPGA中，不支持差分的DQS，该FPGA的IP只在写模式下用到DQS，在读数据时不用（因为IP复位时IP会发送接收训练序列自校正产生捕获时钟）；

•多余不用的DQ可以当做普通I/O使用；

• Quartus II软件自动分配管脚时不会区分同一组的DQ和DM，即DQ和DM可以互换（在EP3C16时仅有TOP边的DQ和DM可以互换）；

• DDR2的地址和控制线在FPGA上没有专用管脚，可以任意使用其它IO（只要符合输入输出位置限制）；

• 可以使用任何一对临近的差分I/O管脚当作DDR2的时钟。