利用FPGA系列的DDR能力解決DDR存儲器的接口設(shè)計(jì)

由于線路速率繼續(xù)增長，DDR SDRAM在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中正在被廣泛地采用。不斷增加的系統(tǒng)帶寬要求正在推動(dòng)存儲器接口速度提高，而成本仍不斷壓低。LatticeEC FPGA系列的專門而靈活的DDR能力使設(shè)計(jì)者擁有滿足下一代存儲器控制器需求的低成本解決方案。

存儲器已廣泛地應(yīng)用于當(dāng)今的電子系統(tǒng)。由于系統(tǒng)帶寬的不斷增加，存儲器技術(shù)針對更高的速度和性能進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果，下一代存儲器接口的設(shè)計(jì)變得越來越具有挑戰(zhàn)性。在諸如FPGA的可編程器件中實(shí)現(xiàn)高速、高效的存儲器接口對于設(shè)計(jì)者來說一直是一個(gè)主要的挑戰(zhàn)。以往，只有少數(shù)FPGA持能可靠地與下一代高速器件接口的構(gòu)建模塊，這些FPGA通常是高端的昂貴器件。不過，現(xiàn)在LatticeEC FPGA系列也提供在低成本FPGA結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)下一代DDR2、QDR2以及RLDRAM控制器所需的構(gòu)建模塊、高速FPGA結(jié)構(gòu)、時(shí)鐘管理資源和I/O結(jié)構(gòu)。

存儲器應(yīng)用

存儲器是各種系統(tǒng)的組成部份之一，不同的應(yīng)用有不同的存儲器要求。對于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用，所需的存儲器通常為高密度、高性能和高帶寬，并具有高可靠性；在無線應(yīng)用中，特別是手機(jī)和移動(dòng)設(shè)備，低功率存儲器是很重要的；而對于基站應(yīng)用，高性能很關(guān)鍵。寬帶應(yīng)用要求存儲器在成本和性能方面有很好的平衡；計(jì)算與消費(fèi)類應(yīng)用則需要諸如DRAM模塊、閃存卡和其它對成本很敏感的存儲器解決方案，同時(shí)要滿足這些應(yīng)用的性能目標(biāo)。本文主要討論在網(wǎng)絡(luò)和通信中的存儲器應(yīng)用。

網(wǎng)絡(luò)和通信應(yīng)用需要大的、快速存儲器，完成從小的地址查找到流量修整/監(jiān)控再到緩沖器管理等各種任務(wù)。用于消費(fèi)應(yīng)用的價(jià)格便宜、成熟的FMP和EDO DRAM通常不適用，因?yàn)樗捎昧溯^慢的異步方式，且需要時(shí)序精確的命令信號來初始化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)師一般轉(zhuǎn)向采用靜態(tài)RAM，解決時(shí)延問題，但這導(dǎo)致較高的成本。通過去除讀和寫周期間的等待狀態(tài)和空閑周期，ZBT SRAM被廣泛地用于改進(jìn)存儲器帶寬。

最近，系統(tǒng)架構(gòu)師在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中轉(zhuǎn)向使用SDRAM，以便減少時(shí)延、滿足低成本要求。上述任務(wù)的每一個(gè)都伴隨一組獨(dú)特的需求。例如，低的和中等帶寬的應(yīng)用要求低時(shí)延的存儲器，因此ZBT SRAM是理想的。

圖1：網(wǎng)絡(luò)中的存儲器。不同的功能需要不同的方法。

表1：為用于高速網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的存儲器綜合比較。

圖1顯示了典型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在10Gbps，一個(gè)讀寫比為1000:1的地址查找可很容易地在DDR SRAM中得到處理。連接列表管理、流量修整、統(tǒng)計(jì)收集任務(wù)通常具有平衡的1:1讀寫比，需要較高性能的QDR SRAM。另一方面，較大的緩沖存儲器一般在DDR SDRAM中實(shí)現(xiàn)。作為DRAM的替代，SDRAM同步存儲器訪問的處理器時(shí)鐘用于快速數(shù)據(jù)傳輸。達(dá)到快速是因?yàn)镾DRAM允許存儲器的一個(gè)塊被存取，而另一個(gè)塊準(zhǔn)備被存取。與DRAM不同，SDRAM采用流動(dòng)電流而不是存儲電荷，除去了連續(xù)刷新的需要。

圖2：LatticeEC FPGA中的專用DQS電路。

兩個(gè)新的競爭者進(jìn)入了高精度存儲器舞臺?？焖僦芷陔S機(jī)存取存儲器（FCRAM）改進(jìn)了性能，它采用了流水線操作和隱蔽的預(yù)充電技術(shù)以減少隨機(jī)存取周期時(shí)間，高度分段的存儲器核減少了功耗。存儲器核分段為較小的陣列，這樣數(shù)據(jù)可以被很快地存取并改進(jìn)執(zhí)行時(shí)間。這些特征使得FCRAM被理想地用作緩沖存儲器，用于諸如交換、路由和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等的高速網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中。時(shí)延減少的DRAM（RLDRAM）提供SRAM類型的接口以及非多路復(fù)用的尋址。RLDRAM II技術(shù)提供最小時(shí)延并可減少行周期時(shí)間，這些特征很適用于要求關(guān)鍵響應(yīng)時(shí)間和快速隨機(jī)存取的應(yīng)用，例如下一代10Gbps以及更加高速的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

存儲器控制器的挑戰(zhàn)

目前存儲器接口經(jīng)常要求時(shí)鐘速度超過200MHz以滿足線卡和交換卡的吞吐量要求，這是FPGA架構(gòu)的主要挑戰(zhàn)。PLL是基本的允許控制時(shí)鐘數(shù)據(jù)關(guān)系的部件。

下一代存儲器控制器工作在HSTL或SSTL電壓。低電壓電平的擺動(dòng)是需要的，以便？？持存儲器和存儲器控制器的輸入輸出的高速數(shù)據(jù)操作。對于高速SRAM存儲器來說，HSTL是實(shí)際的I/O標(biāo)準(zhǔn)，而對于高速DDR SRAM存儲器，SSTL是實(shí)際的I/O標(biāo)準(zhǔn)。

高速差分I/O緩沖器和專用電路的組合能夠在高帶寬下進(jìn)行無縫讀寫操作，傳統(tǒng)上這屬于高級FPGA的領(lǐng)域。LatticeEC FPGA改變了那個(gè)慣例，通過低成本FPGA架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了高帶寬存儲器控制器。

表2：為用于高速網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的存儲器綜合比較。

DDR存儲器控制器的支持

實(shí)現(xiàn)高性能的DDR存儲器需要在輸入端的讀操作和在輸出端的寫操作有專用的DDR寄存器結(jié)構(gòu)，LatticeEC提供這個(gè)能力。除這些寄存器外，EC器件有兩個(gè)單元簡化用于讀操作的輸入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這兩個(gè)單元是DQS延時(shí)塊和極性控制邏輯。這兩個(gè)塊對于實(shí)現(xiàn)可靠的高速DDR SDRAM控制器十分關(guān)鍵。由于DQS邏輯的復(fù)雜性，用FPGA實(shí)現(xiàn)高速存儲器控制器時(shí)，設(shè)計(jì)者會遇到問題。LatticeEC為設(shè)計(jì)者提供這些專用塊，能夠緩解這個(gè)問題。

DLL校準(zhǔn)DQS延時(shí)塊

源同步接口通常要求調(diào)整輸入時(shí)鐘，以便用輸入寄存器正確捕獲數(shù)據(jù)。對大多數(shù)接口而言，PLL被用于這種調(diào)整。然而對于DDR存儲器，稱為DQS的時(shí)鐘是受約束的，因此這種方法不可行。在DDR存儲器接口，DQS與主時(shí)鐘的關(guān)系會有變化，這是由于PCB上走線的長度和使用的存儲器所引起的。

圖3：DLL校準(zhǔn)總線和DQS/DQS轉(zhuǎn)移分布。

如圖2所示，Lattice DQS電路包括一個(gè)自動(dòng)時(shí)鐘轉(zhuǎn)移電路，用以簡化存儲器接口設(shè)計(jì)和保證穩(wěn)健的操作。此外，DQS延時(shí)塊還提供用于DDR存儲器接口所需的時(shí)鐘對列。來自焊盤的DQS信號通過DQS延時(shí)單元送入專用的布線資源。DQS信號也送入極性控制邏輯，用于控制輸入寄存器塊中連至同步寄存器的時(shí)鐘極性。

專用DQS延時(shí)塊的溫度、電壓和工藝變化由一組校準(zhǔn)信號（6位寬的總線）進(jìn)行補(bǔ)償，它們來自器件兩側(cè)的兩個(gè)DLL。每個(gè)DLL補(bǔ)償器件一半的DQS延時(shí)，如圖3所示。DLL用系統(tǒng)時(shí)鐘和專用反饋環(huán)來補(bǔ)償。這是一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)特征，因?yàn)檫@個(gè)器件不會受到通常其它FPGA嚴(yán)格的I/O布局要求的牽制。

極性控制邏輯

對于典型的DDR存儲器設(shè)計(jì)，延時(shí)DQS選通脈沖和內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘（在讀周期）之間的相位關(guān)系是未知的。Lattice-EC器件含有專用電路在這些域間傳遞數(shù)據(jù)。為了防止建立和保持時(shí)間發(fā)生變化，即DQS延時(shí)和系統(tǒng)時(shí)鐘間的域傳遞，它使用了一個(gè)時(shí)鐘極性選擇器，這改變了鎖存在輸入寄存器塊中同步寄存器中的數(shù)據(jù)的邊沿。這需要測定在每個(gè)讀周期的起始時(shí)刻有正確的時(shí)鐘極性。DDR存儲器讀操作前， DQS處于三態(tài)（由端接上拉）。起始時(shí)刻DDR存儲器驅(qū)動(dòng)DQS為低電平，一個(gè)專用電路用于檢測這個(gè)傳遞，這個(gè)信號用來控制至同步寄存器的時(shí)鐘極性。