Xilinx DDR2 IP 核控制器设计 数码相机, 汽车导航, 计算机, 控制器, 数字电视

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摘要：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。
5　DDR2控制器IP核中各模块的功能
DDR2控制器是有四个模块组成：时钟模块，控制模块，数据链路模块，用户接口模块。
5.1　时钟模块
时钟模块是由Xilinx的DCM 核构成，主要用来接收FPGA外部时钟，然后通过分频和倍频产生用户接口时钟、数据链路模块使用的时钟、控制模块使用的时钟和DDR2的时钟。它还有一个作用就是用复位信号对整个IP核进行全局复位。
5.2　控制模块
控制模块作为控制器的中枢，它主要负责对DDR2的初始化和命令的操作，因此控制模块基本上是由初始化和命令控制两部分组成。


初始化：在DDR2上电后经过20μs的稳定期，我们把时钟使能信号CKE置高，等待400ns的时间后进行第一次的预充电，然后对外部寄存器和模式寄存器进行配置，紧接着执行第二次预充电和两次刷新，再判断DLL是否正确锁定，配置OCD，最后等待初始化完成。如果初始化结束，我们就把信号initial_done置高表示初始化完成用户可以对DDR2进行操作了。


命令控制：命令控制部分主要用作DDR2初始化后，产生控制信号和每个操作中的延时，并分析用户命令对DDR2进行自动刷新、读操作、写操作、预充电等操作。当用户写入读写命令的时候，状态机（图3）可以自动的进行判断初始化是否完成、行激活、列寻址、预充电、自动刷新、读写命令发布等操作。


5.3　读／写数据链路模块
DDR2是一个高速的，并且是时钟上、下沿都采样数据的芯片，因此对于数据链路模块的时序要求非常严格。为了能够严格控制时序问题，采用了Xilinx的SPARTAN6的特殊原语模块ＩIDDR和ODDR对数据进行处理。在数据链路模块中采用读数据链路和写数据的链路独立的方式，这样使读／写数据完全独立，使用户更容易对数据进行控制。
5.4　用户接口模块
用户接口模块作为和用户直接连接的模块，它功能的强大与否直接影响用户对ＩＰ核控制的难易度。为了使用户很容易把控制器的ＩＰ核运用到工程项目中，整个模块中包含了READ
FIFO、WRITE FIFO、COMMAND FIFO、命令子模块、用户数据链路子模块，用户控制模块子模块。READ FIFO、WRITE FIFO、 　COMMAND FIFO 使用户可以的控制命令和数据连续的输入和输出。命令子模块可以翻译用户输入的命令，用户只需要发送读或写命令、命令要操作的首地址和总共读／写多少个数据，命令子模块就可以根据情况发送命令控制给用户控制子模块。用户控制子模块再以状态机的形式控制COMMAND FIFO、WRITE FIFO、READ FIFO对与用户接口模块相连的主控制模块和数据链路模块进行控制，对DDR2进行读/写等操作。
6　如何控制IP核对DDR2进行操作
这个设计的DDR2控制器IP核不需要用户了解DDR2的工作特性就能很好的操作IP核对DDR2进行读写等操作，如图４所示。


1）首先通过INITIAL_DONE初始化完成信号判断DDR2是否初始化完成，初始化完成INITIAL_DONE置1，否则为0。
2）开始操作时把开始信号START置1，通过WRITE_BUSY和READ_BUSY信号来判断是否可进行命令的发送。WRITE_BUSY信号为2位宽，WRITE_BUSY[1]表示命令信号，为1时表示忙，0时表示不忙可以发送命令。WRITE_BUSY［0］表示数据信号，为1时表示忙不能发送数据，0时可以发送数据。READ_BUSY信号与WRITE_BUSY信号有着相同的功能，并且只有在READ_BUSY［1］和WRITE_BUSY［1］信号都为0时才能发送命令，也就是命令不能同时进行。当WRITE_BUSY＝01和READ_BUSY＝01时，CMD=000为写操作。
3）当WRITE_BUSY［1：0］信号为10时可以在时钟的上升沿时对WRITE＿DATA输入数据，并且可以通过对WRITE＿MASK相应的位赋1来屏蔽不想要的数据或者是避免当数据不够而写入０的情况。
4）当写入结束时WRITE_BUSY＝01时可以把START信号置0，结束写入。
7　结语
为了验证此DDR2控制器ＩＰ核的实用性，我们通过Xilinx公司的xc6slx45t器件以及美光的MT47H12816XX-3DDR2模型做了仿真，并在Xilinx的sp601开发板进行了实验。通过测试代码往DDR2中写入132个128位的数据（如图5），并从DDR2中读取写入的数据（如图6）。通过实验证明了即使用户不很清楚DDR2的工作原理，也可以很方便的通过本文设计的DDR2控制器IP核对DDR2进行读写操作。



作者：邹连英　余　峰 来源：舰船电子工程2012年第6期