如何实现DS34S132与DDR3存储器的对接

DS34S132 32端口TDM - over –Packet IC采用外部DDR同步DRAM （DDR1）存储器缓存数据。内存空间需提供足够的缓存区域，以支持256条伪线（PW）/绑定中每一伪线的256ms数据包延迟变化（PDV）。如果数据包交换网络（PSN）没按正确的先后次序排列数据，存储器需确保对接收数据包的重新排序。由于目前DDR3已成为主流存储器件，为了使DS34S132更方便地采用DDR3,本应用介绍了如何实现DS34S132与DDR3存储器的对接。

图1所示为利用FPGA和DDR3取代DDR1的推荐电路框图。

图1 用DDR3和FPGA取代DDR1

借助DDR SDRAM数据信号与时钟信号的混合时序控制，DDR SDRAM接口能够支持速率高于典型SDRAM数据传输。例如，一个125MHz时钟频率的DDR SDRAM,可以实现同等频率SDRAM几乎两倍的带宽（BW）。因此，Maxim开始在其方案中用DDR1取代SDRAM,SDRAM用于Maxim的上一代TDM over Packet（TDMoP）器件。

DDR3 SDRAM采用的是DRAM接口规范。实际的DRAM存储数据阵列的存储架构与早期类型相似，具有相似的性能指标。DDR3 SDRAM的数据传输速率是DDR1的4倍，具有更宽频带。

目前，DDR1存储器模块的使用不如DDR2或DDR3广泛。但DDR2和DDR3向下、向上都不兼容DDR1.因此，DDR2或DDR3存储器模块不能工作在早期采用DDR的主板设计中，反之亦然。

DS34S132的DDR接口配置

针对DS34S132 TDMoP器件内部配置：

l  DDR1接口必须设置成3类列地址选通（CAS）

l  必须计算"刷新频率",针对DDR3存储模块配置足够快的时间间隔

l  DDR时钟频率为125MHz

值得注意的是，DDR3有8个扇区，DS34S132只有2个扇区选择位。因此，其中一半的DDR3存储器模块（上区）没有使用。

DDR3配置

DDR3应该运行在500MHz时钟速度，该频率是DDR1 125MHz时钟频率的四倍。

我们采用8位数据进行Verilog RTL仿真，BW为：500MHz x 2 x 8位。该BW是125MHz x 2 x 16 DDR的两倍，额外的BW用作从DDR3流水线回传数据给DS34S132,不需占用FPGA的FIFO存储器。对于DDR3,我们使用以下配置：

CAS延迟：8

CAS写延迟：6

DLL复位，然后再使能

我们用Micron DDR3 MT41J128M8（16M x 8 x 8扇区）进行仿真。当CL= 8（DDR3 - 1066）- 187时，DDR3的周期是1.87ns.如需支持其它DDR3配置/速度，可能还需提升资源配置。我们使用的DDR3仿真具有以下规格：

'elsif sg187        // sg187  is equivalent to the JEDEC DDR3-1066G （8-8-8） speed bin

eter TCK_MIN         1875; // tCK        ps  Minimum Clock Cycle Time

eter TJIT_PER          90; // tJIT（per）  ps  Period JItter

eter TJIT_CC          180; // tJIT（cc）   ps  Cycle to Cycle jitter

eter TERR_2PER        132; // tERR（2per） ps  Accumulated Error （2-cycle）

eter TERR_3PER        157; // tERR（3per） ps  Accumulated Error （3-cycle）

eter TERR_4PER        175; // tERR（4per） ps  Accumulated Error （4-cycle）

eter TERR_5PER        188; // tERR（5per） ps  Accumulated Error （5-cycle）

eter TERR_6PER        200; // tERR（6per） ps  Accumulated Error （6-cycle）

eter TERR_7PER        209; // tERR（7per） ps  Accumulated Error （7-cycle）

eter TERR_8PER        217; // tERR（8per） ps  Accumulated Error （8-cycle）

eter TERR_9PER        224; // tERR（9per） ps  Accumulated Error （9-cycle）

eter TERR_10PER       231; // tERR（10per）ps  Accumulated Error （10-cycle）

eter TERR_11PER       237; // tERR（11per）ps  Accumulated Error （11-cycle）

eter TERR_12PER       242; // tERR（12per）ps  Accumulated Error （12-cycle）

eter TDS             75; // tDS        ps  DQ and DM input setup time relative to DQS

eter TDH            100; // tDH        ps  DQ and DM input hold time relative to DQS

eter TDQSQ 150; // tDQSQ  ps DQS-DQ skew, DQS to last DQ valid, per group, per access

eter TDQSS  0.25; // tDQSS    tCK   Rising clock edge to DQS/DQS# latching transitioneter TDSS            0.20; // tDSS   tCK DQS falling edge to CLK rising （setup time）

eter TDSH            0.20; // tDSH   tCK DQS falling edge from CLK rising （hold time）

eter TDQSCK           300; // tDQSCK     ps    DQS output access time from CK/CK#

eter TQSH            0.38; // tQSH       tCK   DQS Output High Pulse Width

eter TQSL            0.38; // tQSL       tCK   DQS Output Low Pulse Width

eter TDIPW            490; // tDIPW      ps    DQ and DM input Pulse Width

eter TIPW             780; // tIPW       ps    Control and Address input Pulse Width

eter TIS              275; // tIS        ps    Input Setup Time

eter TIH              200; // tIH        ps    Input Hold Time

eter TRAS_MIN       37500; // tRAS    ps   Minimum Active to Precharge command time

eter TRC            52500; // tRC     ps   Active to Active/Auto Refresh command time

eter TRCD           15000; // tRCD       ps    Active to Read/Write command time

eter TRP            15000; // tRP        ps    Precharge command period

eter TXP             7500; // tXP        ps    Exit power down to a valid command

eter TCKE            5625; // tCKE       ps    CKE minimum high or low pulse width

eter TAON             300; // tAON       ps    RTT turn-on from ODTLon reference

eter TWLS             245; // tWLS       ps    Setup time for tDQS flop

eter TWLH             245; // tWLH       ps    Hold time of tDQS flop

eter TWLO            9000; // tWLO       ps    Write levelization output delay

eter TAA_MIN        15000; // TAA        ps    Internal READ command to first data

eter CL_TIME        15000; // CL         ps    Minimum CAS Latency

FPGA配置

FPGA的关键性能：

l  在上电时，初始化DDR3存储器芯片

l  初始化完成后，把从DS34S132发出DDR1命令转换成DDR3命令/数据

i.   读

ii.  写

iii. 预充电

iv.  使用数字时钟模块（DCM）对DS34S132的DDR1时钟（125MHz）进行4倍频，生成DDR3时钟（500MHz）。

v.   使用第二个DCM产生四个不同的相位DDR3时钟，提供DDR3沿触发时序。此外，利用一路反馈时钟（从一个IO端输出并返回）调整这些时钟相对于DDR1时钟沿的相位关系，有助于DS34S132及时读取数据。

据此，FPGA与DDR3存储器相结合，构成类似于DS34S132的DDR1功能。FPGA代码包括DCM和早期的DDR IO,可从Maxim网站下载程序和详细说明。

FPGA采用Spartan,Verilog RTL仿真速度等级为4,能够达到500MHz.FPGA选用接近300的触发器，不带FPGA RAM.我们还使用了两个DCM转换时钟频率。为了验证DDR1 - DDR3转换设计方案，在Verilog RTL仿真器进行以下测试：

DDR1模式测试并记录结果

通过FPGA测试DDR3模式，并记录结果

监测DDR3独立的读、写操作，并与DDR1读、写操作进行对比

图2和图3显示了DDR1和DDR3的读、写仿真结果。

在Verilog RTL仿真中，可以成功地通过FPGA从DDR3向器件发送有效信号，同样也可成功地读取器件信号并发送到DDR3.仿真结果证明，从DDR1到DDR3转换方案可以正确工作。

图2 DDR1（上图）和DDR3（下图）的写操作仿真结果

图3 DDR1（上图）和DDR3（下图）的读操作仿真结果

结论

本文利用Micron DDR3 MT41J128M8参数模型进行FPGA的Verilog RTL仿真，确保器件能够配合DDR3和Spartan FPGA工作。但该方案并不适用于所有DDR3器件，设计人员需要首先了解利用哪些DDR3进行设计。没有提供FPGA映射和位文件。