快速創(chuàng)建存儲器接口的設(shè)計(jì)

Xilinx FPGA 提供可簡化接口設(shè)計(jì)的 I/O 模塊和邏輯資源。盡管如此，這些 I/O 模塊以及額外的邏輯仍需設(shè)計(jì)人員在源 RTL 代碼中配置、驗(yàn)證、執(zhí)行，并正確連接到系統(tǒng)的其余部分，然后仔細(xì)仿真并在硬件中進(jìn)行驗(yàn)證。

　　本文介紹了存儲器接口設(shè)計(jì)的性能要求、設(shè)計(jì)難題以及 Xilinx 的解決方案，從使用 Spartan-3 系列 FPGA 的低成本實(shí)現(xiàn)到使用 Virtex-5 FPGA 的最高帶寬接口，無所不包。

　　性能要求和 Xilinx 解決方案

　　20 世紀(jì) 90 年代后期，存儲器接口從單倍數(shù)據(jù)速率 SDRAM 發(fā)展為雙倍數(shù)據(jù)速率 (DDR) SDRAM，而如今的 DDR2 SDRAM 運(yùn)行速率已達(dá)每引腳 667 Mbps 或更高。

　　應(yīng)用通常可分為兩類：
　　● 低成本應(yīng)用，器件成本最重要
　　● 高性能應(yīng)用，獲得最高帶寬最重要

　　運(yùn)行速率低于每引腳 400 Mbps 的 DDR SDRAM 和低端 DDR2 SDRAM 已能滿足大多數(shù)低成本系統(tǒng)存儲器的帶寬需求。對于這類應(yīng)用，Xilinx 提供了 Spartan-3 系列 FPGA：Spartan-3、3E、3A 和3AN 器件。

　　對于將存儲器接口帶寬推至極限的應(yīng)用，如每引腳 667 Mbps 的 DDR2 SDRAM，Xilinx 提供了 Virtex-5 FPGA。

　　帶寬是與每引腳數(shù)據(jù)速率和數(shù)據(jù)總線寬度相關(guān)的一個因素。Spartan-3 系列和 Virtex-5 FPGA 均提供了不同選項(xiàng)，從數(shù)據(jù)總線寬度小于 72 位的較小的低成本系統(tǒng)，到寬度達(dá) 576 位的較大的 Virtex-5 封裝（圖 1）。

這些速度下的較寬總線使芯片對芯片接口的實(shí)現(xiàn)更為困難，因?yàn)橐蟮姆庋b更大，電源到信號和地面到信號比更佳。Virtex-5 FPGA 的開發(fā)使用了先進(jìn)的稀疏鋸齒形 (SparseChevron) 封裝技術(shù)，能提供優(yōu)良的信號到電源和地面到引腳比。每個 I/O 引腳周圍都有足夠的電源和接地引腳和板，以確保良好的屏蔽，使由同步交換輸出 (SSO) 所造成的串?dāng)_噪音降到最低。

　　使用 Spartan-3 FPGA 的存儲器接口

　　對于每引腳 400Mbps低成本應(yīng)用，Spartan-3 系列FPGA與 Xilinx 軟件工具結(jié)合即可提供易于實(shí)現(xiàn)且經(jīng)濟(jì)的解決方案。

　　在一個基于FPGA的設(shè)計(jì)中，三個基本構(gòu)建模塊組成一個存儲器接口和控制器：讀寫數(shù)據(jù)接口、存儲器控制器狀態(tài)機(jī)，以及將存儲器接口設(shè)計(jì)橋接到 FPGA 設(shè)計(jì)其余部分的用戶接口。這些模塊在架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)由數(shù)字控制管理器 (DCM) 的輸出信號對其進(jìn)行時鐘驅(qū)動，在 Spartan-3 系列實(shí)現(xiàn)中，數(shù)字控制管理器還對查找表 (LUT) 延遲校準(zhǔn)監(jiān)視器（可確保正確設(shè)置讀數(shù)據(jù)采集時序的邏輯塊）進(jìn)行驅(qū)動。

　　在Spartan-3系列實(shí)現(xiàn)中，使用可配置邏輯塊 (CLB) 中的LUT實(shí)現(xiàn)讀數(shù)據(jù)采集。在讀事務(wù)過程中，DDR2 SDRAM器件將讀數(shù)據(jù)選通脈沖 (DQS) 及相關(guān)數(shù)據(jù)按照與讀數(shù)據(jù) (DQ) 邊沿對齊的方式發(fā)送給FPGA。在源同步接口中采集DQ是一項(xiàng)頗具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，因?yàn)閿?shù)據(jù)在非自由運(yùn)行DQS選通脈沖的每個邊沿上都會改變。讀數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)使用了一種基于 LUT 的 tap 延遲機(jī)制。

　　寫數(shù)據(jù)命令和時序由寫數(shù)據(jù)接口生成并控制。寫數(shù)據(jù)接口使用輸入/輸出模塊(IOB)觸發(fā)器和DCM的90度、180度和270度輸出端以與命令和數(shù)據(jù)位剛好對齊的方式發(fā)送DQS選通脈沖。

　　DDR2 SDRAM 存儲器接口的實(shí)現(xiàn)已在硬件中全面經(jīng)過驗(yàn)證。設(shè)計(jì)是在使用了 16 位寬 DDR2 SDRAM 存儲器器件和 XC3S700A-FG484 器件的 Spartan-3A 入門套件板中實(shí)現(xiàn)的。此參考設(shè)計(jì)僅利用了 Spartan-3A FPGA 可用資源的一小部分：13% 的 IOB、9% 的邏輯 Slice、16% 的全局緩沖器 (BUFG) 多路復(fù)用器 (MUX) 和八個 DCM 中的一個。

　　可以使用存儲器接口生成器 (MIG)軟件工具輕松定制Spartan-3系列存儲器接口設(shè)計(jì)，使其符合應(yīng)用。