摘要： 本文采用LatticeXP系列FPGA結(jié)合IP解決DDR RAM的讀寫控制。并且在硬件上面進(jìn)行了實(shí)際測試。
關(guān)鍵詞： 嵌入式系統(tǒng)；DDR RAM；FPGA；IP；LattcieXP

前言

    隨著高速處理器的不斷發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣泛，數(shù)字信號處理的規(guī)模也越來越大，系統(tǒng)中RAM規(guī)模不斷增加，比如視頻監(jiān)控、圖像數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域，圖像處理的實(shí)時性對RAM帶寬的要求不斷增加，傳統(tǒng)的SDRAM在帶寬上已經(jīng)逐漸無法滿足應(yīng)用要求，DDR SDRAM(雙倍速率SDRAM)采用在時鐘CLK信號的上升和下降沿，雙沿做數(shù)據(jù)傳輸；比傳統(tǒng)的SDRAM只在時鐘上升沿傳輸?shù)姆绞?，傳輸帶寬增加了一倍。DDR RAM已開始廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中，正逐步取代傳統(tǒng)的SDRAM。

    DDR RAM操作速度的提高，對設(shè)計(jì)者來說，對控制時序的設(shè)計(jì)有了更高的要求；并且，DDR內(nèi)存采用的是支持2.5V電壓的SSTL-Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)，不再是SDRAM使用的3.3V電壓的LVTTL標(biāo)準(zhǔn)。在很多的處理器上面并不帶有DDR RAM控制器，這對設(shè)計(jì)者來說，使用DDR RAM難度增加。往往需要在設(shè)計(jì)中插入控制器實(shí)現(xiàn)微處理器或DSP對存儲器的控制。

    現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)已廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中?，F(xiàn)在很多FPGA都提供了針對DDR SDRAM的接口特性：其輸入輸出引腳與SSTL－Ⅱ電氣特性兼容，內(nèi)部提供了DDR觸發(fā)器、鎖相環(huán)等硬件資源。使用這些特性，可以比較容易地設(shè)計(jì)性能可靠的高速DDR RAM控制器。本文針對這一問題，介紹一種采用Lattice FPGA與IP來實(shí)現(xiàn)DDR RAM控制和驗(yàn)證的方法。

LatticeXP

    LatticeXP器件將非易失的FLASH單元和SRAM技術(shù)組合在一起，支持瞬間啟動和無限可重構(gòu)的單芯片解決方案。FLASH單元陣列中保存用戶配置文件。上電時，配置文件在1毫秒內(nèi)從FLASH存儲器中被傳送到配置SRAM中，完成瞬時上電。

    器件內(nèi)部分為：PIC (可編程的I/O單元)，非易失的FLASH MEMORY，SYSCONFIG配置端口，PFU(可編程功能單元)，PLL(模擬鎖相環(huán))，PFF(非RAM/ROM功能可編程邏輯單元)，EBR(嵌入式RAM塊)，JTAG口等幾部分(見圖1)。

圖1 LatticeXP內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

DDR controller IP的生成

    IPExpress是Lattice開發(fā)軟件中生成IP模塊的工具，可根據(jù)用戶設(shè)定的參數(shù)生成IP模塊，使用非常方便。

    點(diǎn)擊啟動IPexpress進(jìn)入生成界面(見圖2)。在左邊選取DDR SDRAM工程，在右邊設(shè)置工程名稱和文件保存地址。

圖2 IPexpress界面

    點(diǎn)擊下一步，開始進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置(見圖3)。這里面進(jìn)行設(shè)置DDR RAM的行、列的參數(shù)，以及Bank。這些參數(shù)都是根據(jù)DDR RAM芯片手冊進(jìn)行設(shè)置。本文中采用的DDR RAM顆粒是現(xiàn)代公司的HY5DU561622，16M x16，4bank顆粒。

圖3 DDR RAM的行、列的參數(shù)配置

    下一步，進(jìn)行時序延時上面的設(shè)置(見圖4)。

圖4 DDR RAM顆粒時序參數(shù)配置

    在這里設(shè)置tRAC(行訪問周期，RAS Access Cycle/Delay)、tCAC(列訪問周期，CAS Access Cycle/ Delay)等參數(shù)。這些參數(shù)，在DDR RAM顆粒芯片的手冊中都有詳細(xì)的列表。需要特別指出的是，由于芯片提供商會針對不同的DDR標(biāo)準(zhǔn)，例如DDR400，DDR333等，給出不同的延時參數(shù)，會是以ns為單位的幾個不同的列表，需要根據(jù)設(shè)計(jì)的不同，參考不同的表格。因?yàn)镮P生成器中采用的是單一參數(shù)設(shè)置，單位采用了CLK為單位，這就需要根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及時鐘頻率來轉(zhuǎn)換一下，進(jìn)行設(shè)定。本文采用的是DDR266標(biāo)準(zhǔn)，時鐘為133MHz，對應(yīng)的時鐘周期為1/133MHz，大約為7.5ns。這樣，芯片在DDR266標(biāo)準(zhǔn)的TRCD為20ns(最小值)，對應(yīng)到IP的參數(shù)中就是3。其他參數(shù)也是類似的換算。

    設(shè)置完畢以后，點(diǎn)擊generate，可以生成IP代碼文件，如圖5。

圖5 IP生成

DDR controller IP的使用與驗(yàn)證

    生成的DDR Controller IP的接口結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 DDR Controller接口

    RAM接口根據(jù)信號的定義，對應(yīng)DDR RAM接口信號。另一端是用戶接口，包括復(fù)位、時鐘、地址、數(shù)據(jù)、讀寫、狀態(tài)信號等。數(shù)據(jù)通過用戶接口送入，通過IP控制時序送到DDR RAM對用的地址當(dāng)中。

    對IP的測試，采用數(shù)據(jù)寫入與讀出進(jìn)行校驗(yàn)的方式來實(shí)現(xiàn)。測試框圖如圖7所示。

圖7 測試原理框圖

    在FPGA內(nèi)部做兩個RAM區(qū)域，用于數(shù)據(jù)的保存。這里使用FPGA內(nèi)部的RAM塊，做了兩塊256×32b大小的RAM存儲區(qū)。編寫FPGA代碼，做一個簡單的偽隨機(jī)序列發(fā)生器，通過簡單的異或算法，產(chǎn)生32位隨機(jī)數(shù)據(jù)序列。產(chǎn)生的數(shù)據(jù)存入其中一塊RAM當(dāng)中，同時也送到IP的用戶接口端，寫入DDR RAM。

    在256深度的存儲區(qū)域?qū)憹M以后，開始從DDR RAM回讀數(shù)據(jù)。并把讀取的數(shù)據(jù)送到FPGA內(nèi)部另外一塊RAM當(dāng)中。兩塊RAM中對用地址的數(shù)據(jù)作比較。如果數(shù)據(jù)一致，說明DDR RAM讀寫正常；如果不同，說明DDR RAM讀寫操作有錯誤。

    由于本設(shè)計(jì)采用的是DIMM內(nèi)存條512Mb容量，因此測試時，數(shù)據(jù)地址采用基址加變址的方式。每一次測試256×32b的數(shù)據(jù)完成后，循環(huán)進(jìn)入下一次測試時，將起始基地址加256，再進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。這樣最終完整可以掃描512M的數(shù)據(jù)地址空間，使測試更加完整。這種測試的方法，采用小塊地址，多次操作，可以減少FPGA內(nèi)部RAM的使用量。

    本文中編寫的測試代碼采用Verilog語言編寫，邏輯如圖8。

圖8 測試代碼邏輯狀態(tài)機(jī)

硬件測試結(jié)果

    本實(shí)驗(yàn)是在Lattice的XP advanced版demo板上進(jìn)行的。

    采用的FPGA為LFXP10C-5F384，內(nèi)存條為Kingston 512M筆記本內(nèi)存條，RAM顆粒為現(xiàn)代HY5DU561622。測試DDR266連續(xù)運(yùn)行2小時，數(shù)據(jù)無異常,DDR讀寫操作完全正常。

結(jié)語

    在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用DDR RAM的越來越多，在設(shè)計(jì)當(dāng)中采用FPGA，不僅設(shè)計(jì)靈活，而且還可以將周邊的數(shù)字器件綜合設(shè)計(jì)進(jìn)入FPGA，大大提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性價比。

參考文獻(xiàn)：
1.  胡為，DDR SDRAM在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用，單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2006.3
2．  LatticeXP  family handbook. Lattice semiconductor Co.,2006.6
3．  Lattice DDR1/2 controller user guide.Lattice semiconductor Co.,2006.6