基于FPGA的DDR控制器设计

摘要　在分析DDR SDRAM基本操作特性的基础上，本文根据DDR的时序要求，提出了一种基于VerilogHDL语言的控制器实现方案。并且根据具体的应用环境给出了不同的读写方案，以提高时钟效率。控制器逻辑的RTL在FPGA板卡上实现，仿真在modelsim中进行，硬件的验证利用quartusII的逻辑分析仪（signaltapII）完成，以保证存储器的读写高效性与可靠性。
　　关键词　DDR SDRAM　VerilogHDL　FPGA
　　DDR SDRAM是Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory（双倍速率随机存储器）的简称，它采用2.5V的工作电压，在核心时钟的上升沿和下降沿传输数据，具有比SDR（single data rate） SDRAM多一倍的传输速率的优点。FPGA（Field－Programmable Gate Array）是一种可编程器件，在FPGA上可以实现任意数字电路功能。在电子通讯领域，数据量越来越大，对存储器的需求也越来越大；FPGA具有并行性、可编程等优点，它的应用场合也越来越广，在FPGA板卡上嵌入SDRAM已经应用在很多系统中，因此研究在FPGA平台上来实现DDR读写控制的方法具有重要的实际意义。本文第1、2节介绍基于FPGA的DDR SDRAM控制器的设计过程，第3节主要讲述控制器的调试。FPGA为Altera公司的cycloneIII, DDR为Hynix公司的16Mx16的DDR。
　　1　DDR SDRAM 的基本操作
　　1.1　DDR SDRAM的指令
　　1.2　DDR常见读写延时参数
　　DDR的读写数据是在DQS信号下捕捉的，数据的位数决定了DQS的位数，一位DQS信号负责捕捉八位数据信号。写操作时，DQS在数据信号DQ的中心捕获数据；读操作时，DQS在数据信号的边沿捕获数据[1]。在数据读写之前，需要先进行行有效操作，即ACT命令，然后经过tRCD的时间，执行读或写操作命令。在读操作中，读命令后还要经过CL（CAS latency）时间才开始读取数据。
　　2　控制器的设计方案
　　实现DDR的控制，重点需要解决：时钟体系问题，状态转换与指令操作三个方面。本文设计的DDR控制器主要有三个模块，分别是状态转换控制模块，指令译码模块和时钟模块，如图1所示。控制器的用户控制信号有CMD（用户发送的指令）与ADDR（用户地址）、DATAIN（DDR的输入数据）和DATAOUT（DDR的输出数据）。时钟模块提供DDR主时钟和控制器系统内部的数据时钟（CLK_X2）。在使用时，用户首先发送一个CMD到状态转换模块进行状态转换，然后控制器返回一个CMDACK响应用户，在第二个时钟周期将这个命令状态标志输入到指令译码模块进行指令译码，控制指令信号，完成相应的操