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摘要：在DDR SDRAM控制器的設(shè)計(jì)中,數(shù)據(jù)通道的設(shè)計(jì)是提高數(shù)據(jù)傳輸率的關(guān)鍵。本文按照J(rèn)ESD79E標(biāo)準(zhǔn),討論了DDR SDRAM控制器結(jié)構(gòu),分析了DDR SDRAM的讀寫過程,給出了控制器的讀寫時(shí)序方程,利用此方程設(shè)計(jì)出了一種高速數(shù)據(jù)通道。對設(shè)計(jì)高速數(shù)據(jù)通道用EDA工具進(jìn)行了綜合、仿真。仿真結(jié)果顯示設(shè)計(jì)出的電路可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化配置并具有良好的性能。
1 引 言
目前業(yè)界在使用存儲器控制器時(shí)，通常采用 IP 核供應(yīng)商提供的針對具體型號存儲器IP 核[1]。這種IP 核的使用雖然可以實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)的目的，但是控制器占用資源較大，不能根 據(jù)應(yīng)用而改變，只能通過命令來實(shí)現(xiàn)靈活使用，當(dāng)大量使用時(shí)需要支付高昂的IP 核使用費(fèi)。 隨著DDR SDRAM 的使用的日益廣泛，設(shè)計(jì)專用的存儲器控制器電路成為了必然。實(shí)現(xiàn)高 速存儲器控制器的設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是存儲器數(shù)據(jù)通道的設(shè)計(jì)。本文首先對存儲器控制器電路進(jìn) 行了功能劃分，建立了讀寫時(shí)序模型，對高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的問題進(jìn)行了闡述， 根據(jù)讀寫時(shí)序模型設(shè)計(jì)設(shè)一種高速的存儲器數(shù)據(jù)通道，最后對結(jié)果進(jìn)行了分析。
2 DDR SDRAM 控制器的整體結(jié)構(gòu)
存儲器控制器的功能是監(jiān)督控制數(shù)據(jù)從存儲器輸入/輸出數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)的完整性進(jìn)行 分析檢測。控制器由六個(gè)模塊構(gòu)成：即命令接口模塊、命令生成模塊、刷新控制模塊、初始 化模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)通道。其中控制模塊包含一個(gè)狀態(tài)機(jī)，用于控制系統(tǒng)的命令發(fā)送、 數(shù)據(jù)傳遞等操作；數(shù)據(jù)通道為DDR 與主機(jī)之間提供數(shù)據(jù)接口，在讀寫命令發(fā)出后處理數(shù)據(jù)。 讀寫操作不同之處在于寫操作時(shí)DDR 控制器需要產(chǎn)生數(shù)據(jù)選通信號DQS。在寫操作時(shí)， DQS 在數(shù)據(jù)的中間變化，并且存儲器發(fā)送和接收數(shù)據(jù)速率是其他部分的兩倍，這就要求數(shù) 據(jù)通道中有異步電路的存在，所以速數(shù)據(jù)通道決定了整個(gè)存儲系統(tǒng)的運(yùn)行效率。
3 DDR 讀寫時(shí)序建模
存儲器操作主要包括預(yù)充電、刷新、行激活、讀寫等，各個(gè)操作之間相互配合使用。直 接使用數(shù)據(jù)通道的操作是讀寫操作。下面利用時(shí)序邏輯方程[2]來對讀寫時(shí)序進(jìn)行分析。
3.1 時(shí)序邏輯方程的概念
數(shù)據(jù)通道是一個(gè)時(shí)序電路，而一般的邏輯方程無法表示時(shí)序的關(guān)系，可以借用數(shù)字信號處理離散時(shí)間信號的表示方法來建模。系統(tǒng)使用統(tǒng)一的時(shí)鐘，時(shí)序方程用CK(n)表達(dá)式如下：
k 表示時(shí)鐘的上升沿，相應(yīng)的k+0.5 就表示時(shí)鐘的下降沿；CK(n)表示一個(gè)從0 開始的 值為單位1 地階躍信號。CK(n-1)表示時(shí)鐘推后一個(gè)時(shí)鐘周期，CK(n-n0)-CK(n-n1)表示從第 n0 個(gè)時(shí)鐘上升沿開始到第n1 個(gè)時(shí)鐘上升沿結(jié)束的一個(gè)矩形信號。
3.2 讀寫時(shí)序建模
讀寫時(shí)序建模就是對讀寫命令與數(shù)據(jù)流動之間關(guān)系建立時(shí)序模型。DQ 是存儲器與控制 器之間的雙向數(shù)據(jù)總線。
（1） 讀時(shí)序建模
DDR SDRAM 控制器進(jìn)行讀操作時(shí)，主機(jī)對存儲器控制器發(fā)出讀命令；控制器采樣到 該命令后按照時(shí)序分別給存儲器行激活、讀（列）命令，按照初始化時(shí)設(shè)置的延遲時(shí)間等待 數(shù)據(jù)輸出；等待指定時(shí)間以后，數(shù)據(jù)出現(xiàn)在DQ 總線上；再經(jīng)過特定的傳輸路徑，數(shù)據(jù)通過 DATAOUT 輸出。讀操作過程的時(shí)序方程如下（BL：突發(fā)長度，可選2、4、8；tRCD：行選 到列選延遲；tCAS：讀數(shù)據(jù)命令到數(shù)據(jù)有效延遲）：
由于在DDR 數(shù)據(jù)通道內(nèi)部要進(jìn)行時(shí)鐘域的轉(zhuǎn)換，并且根據(jù)CL（CAS Latency）的不同，需要將數(shù)據(jù)的輸出調(diào)整到時(shí)鐘的上升沿對齊，因此數(shù)據(jù)的輸出存在延遲。設(shè)這個(gè)延遲為DL。
（2） 寫時(shí)序建模
DDR SDRAM 控制器進(jìn)行寫操作時(shí)，主機(jī)對存儲器控制器發(fā)出寫命令，同時(shí)輸出數(shù)據(jù) 和地址；控制器采樣到該命令和數(shù)據(jù)，按照時(shí)序分別給存儲器行激活、寫（列）命令；再經(jīng) 過一個(gè)特定的周期，數(shù)據(jù)出現(xiàn)在DQ 總線上。寫過程的時(shí)序方程如下：
有效的寫入數(shù)據(jù)是在控制器寫命令發(fā)出后1±0.25 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)刻后出現(xiàn)在DQ 端。
4 高速數(shù)據(jù)通道模塊設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)通道模塊為 DDR SDRAM 和主機(jī)之間提供了數(shù)據(jù)接口。DATAOUT 為數(shù)據(jù)通道向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)端口，DATAIN 為主機(jī)向數(shù)據(jù)通道寫入數(shù)據(jù)端口。
4.1 高速數(shù)據(jù)通道電路設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題
（1） 亞穩(wěn)態(tài)特性
數(shù)據(jù)通道是個(gè)多時(shí)鐘系統(tǒng)，這就要求數(shù)據(jù)正確地從一個(gè)時(shí)鐘域傳輸?shù)搅硪粋�(gè)時(shí)鐘域。不 同時(shí)鐘域信號傳輸首先遇到的是亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生同步失敗問題。當(dāng)數(shù)據(jù)和時(shí)鐘邊沿非常接近時(shí)， 由于觸發(fā)器都會有建立和保持時(shí)間的要求，在這個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)，任何輸入信號的變化都可能 導(dǎo)致輸出的亞穩(wěn)態(tài)。解決辦法是將兩個(gè)（或多個(gè)）觸發(fā)器串聯(lián)，用同一個(gè)時(shí)鐘驅(qū)動。N 個(gè)觸 發(fā)器發(fā)生錯(cuò)誤的概率是PN，其中P 是一個(gè)觸發(fā)器發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)錯(cuò)誤的概率，標(biāo)準(zhǔn)的方法是采 用至少兩個(gè)觸發(fā)器（有時(shí)是三個(gè)）進(jìn)行同步串聯(lián)。
（2） 門延遲
對一個(gè)具有M 級的邏輯鏈，近似可以得到通過整個(gè)鏈的總延時(shí)：
公式（11）中，ti 表示每部分的延時(shí)，取決于門的類型（即非門，與非門，等等）和它 的尺寸，以及在鏈中到下一個(gè)門的鏈路上的延遲。整個(gè)鏈的總延遲的大小決定了電路能夠運(yùn) 行的速率，在設(shè)計(jì)高速數(shù)字電路時(shí)，要盡量減少兩寄存器中間組合邏輯的大小。
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