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标题: DDR2 SDRAM介绍及其基于MPC8548 CPU的硬件设计 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-12 23:12
标题: DDR2 SDRAM介绍及其基于MPC8548 CPU的硬件设计
DR2(Double Data Rate 2，两倍数据速率，版本2) SDRAM，是由JEDEC标准组织开发的基于DDR SDRAM的升级存储技术。相对于DDR SDRAM，虽然其仍然保持了一个时钟周期完成两次数据传输的特性，但DDR2 SDRAM在数据传输率、延时、功耗等方面都有了显著提高，而这些性能的提高，主要来源于以下技术的提升：ODT，Post CAS，4n数据预取，封装等。
　　
* ODT
　　
ODT(On-Die Termination)，即芯片内部匹配终结。
　　
在DDR SDRAM应用中，需要通过大量的外部电阻上拉到VTT电平(1.25V)以实现信号匹配，以16位芯片为例，以下信号需要通过这种方式进行匹配：CK,CK#,DQ[15:0],LDQS,UDQS, ADDR[10:0],RAS#,CAS#,WE#，即一片芯片需要34个外部上拉电阻，极大的占用了宝贵的PCB面积。同时，由于DQ[15:0],LDQS,UDQS等信号是双向信号，即读和写时，对匹配电阻的位置有不同要求，因此在电阻布局时很难在两个方向上同时实现最佳的信号完整性。
　　
在DDR2 SDRAM中，采用ODT技术将许多外部的匹配电阻移到芯片内部从而节省了大量的PCB板上面积。另外，ODT技术允许存储控制器(如下文的MPC8548 CPU)通过配置DDR2 SDRAM的内部寄存器以及控制ODT信号，来实现对匹配电阻的值及其开关状态进行控制，从而可以实现读，写操作时最佳的信号完整性。

图1 ODT功能图
　　
DDR2 SDRAM芯片提供一个ODT引脚来控制开或关芯片内部的终结电阻。在只有一个DDR2 SDRAM芯片作为存储器控制器的负载的情况下，写操作时，由于DDR2 SDRAM作为接收端，所以ODT引脚为高电平以打开芯片内部终结电阻;读操作时，由于DDR2 SDRAM作为发送端，所以ODT引脚为低电平以关闭芯片内部终结电阻。其中，ODT引脚的状态由存储器控制器(如MPC8548)来控制。
　　
ODT终端电阻值RTT可以通过DDR2 SDRAM内部的EMR寄存器来设定：首先配置EMR[15:14]=01来选定该寄存器工作于EMR(扩展模式寄存器)模式，然后通过EMR[6]和EMR[2]两位来设置内部RTT的值，允许选择为RTT关闭，75欧姆，150欧姆，50欧姆这四种模式。以选择75欧姆这种模式为例，图1中，DQ引脚内部的上拉电阻和下拉电阻将配置为150欧姆。
　　
需要注意，DDR2 SDRAM的ODT技术，只是对DQ,DQS,DM这些信号(在选择了差分DQS的情况下，也包括DQS#信号)实现了内部匹配。而地址和控制信号等仍需要通过外部匹配。
　　
* Posted CAS
　　
以读DDR2 SDRAM为例。

图2 多块数据读取时的间隙问题
　　
DDR2 SDRAM和DDR SDRAM一样，是通过Bank(块地址),Row(行地址)和Column(列地址)三者结合实现寻址。每一次对DDR2 SDRAM的操作，都以ACTIVE命令(图2的ACT命令，通过有效#RAS信号实现)开始，在发出该命令的同时，通过地址信号线发出本次操作的Bank和Row地址，此后等待tRCD时间后，发起READ/AUTO PRECHARGE命令(图2 的RD AP命令，通过有效#CAS信号实现)，该命令的作用是发出读取命令，同时通过地址信号线发出本次操作的Column地址。最后，等待CAS Latency时间之后，数据即通过数据总线输出。
　　
由于DDR2 SDRAM的存储空间相对DDR SDRAM有所增加，因此Bank数目也有所增加。例如，DDR SDRAM单片最大容量为1Gbit，Bank数目是4，而DDR2 SDRAM单片最大容量为2Gbit，Bank数目达到了8。DDR SDRAM的Bank数目最少是2，而DDR2 SDRAM的Bank数目最少是4。为了提高性能，经常需要在一个Bank的操作完成之前插入对下一个Bank的操作。如图2，在发出对Bank0的ACT命令之后，无需等待对应的RD AP命令发出，只用满足tRRD时间要求，即可发出对另一个Bank的ACT命令。

　　
按照这种工作模式，从图2中可以发现，对Bank2的ACT命令实际上延迟了一个时钟周期，该命令本来应该在RD AP(Bank 0)的位置出现，但由于RD AP(Bank 0)命令已经出现在该时钟周期(占用了地址总线，以发出Column地址)，从硬件信号上来说，即在这个周期已经使能了CAS#信号，所以无法使能对应另一个Bank的RAS#信号，因此只能延时一个时钟周期。其结果是，本来应该是流水线式的数据输出流被打断，Bank1的数据输出后，需要等待一个时钟周期，Bank2的数据才得到输出。数据流间隙的出现，将影响芯片的性能。
　　
针对这个问题，DDR2 SDRAM做了改进。DDR2 SDRAM允许RD AP命令提前发出，甚至可以紧跟ACT命令发出，但是要等待一个Additive Latency(即AL，附加延时)后，该RD AP命令才能执行。如图3所示。

图3 引入附加延迟AL的DDR2 SDRAM读取模式【1】
　　
在图3中，AL设置为tRCD-1，此时，可以实现ACT和RD AP命令背靠背的发出，只不过，DDR2 SDRAM需要抑制RD AP命令，直到AL延时满足后才能执行。

图4 引入AL后的多Bank数据读取
　　
如图4，引入AL并设置AL为tRCD-1后，对于多个Bank数据读取，输出数据流之间不再出现间隙。
　　
这种为了避免ACT命令和RD AP命令冲突而提出的技术就叫做Posted CAS技术。其本质就是将CAS#信号的使能时间段(即RD AP命令)直接插入到紧跟RAS#信号的使能时间段(即ACT命令)之后，虽然读和写操作并没有得到提前，总的延迟时间也没有发生改变，但引入这种技术后，可以避免在多Bank操作中的一个Bank的CAS#信号和其他Bank的RAS#信号发生冲突，从而提高了存储芯片的使用效率。
　　
可以通过配置DDR2 SDRAM芯片内部的EMR寄存器的第3～5位，将附加延时AL配置为0~5个时钟周期。
　　
* 4n数据预取
　　
DDR SDRAM的数据预取能力是2，即芯片内部能以2倍于时钟运行的速度预取数据，从而使得芯片内核工作频率仅需要为外部数据传输率的一半。DDR2 SDRAM的数据预取能力是4，即芯片内核工作频率仅需要为外部数据传输率的1/4。而对于SDRAM，芯片内核工作频率等于外部数据传输速率。所以在同样的内核频率下，DDR SDRAM的数据传输速率比SDRAM高一倍，而DDR2 SDRAM的数据传输率比DDR SDRAM又高一倍。
　　
例如，DDR2和DDR1 SDRAM的外部数据传输率都为400Mb/s的情况下，对于DDR2 SDRAM而言，其内核工作频率仅需要为100MHz，而对于DDR SDRAM，其内核工作频率需要为200MHz，如果是SDRAM，则其内核频率要求为400MHz，正是因为如此高的内核频率无法在技术上实现，因而SDRAM的数据传输率无法达到400Mb/s。
　
利用这项技术，DDR2 SDRAM可以在不提高内核工作频率的前提下(即无需对芯片做大的技术革新)，大大提高外部数据传输速率，从而获得更高的性能。值得提及的是，目前正在研发的DDR3 SDRAM技术，其数据传输率比DDR2 SDRAM又有大幅度提高，其并不是源于技术上的巨大变革，而是因为采用了8n数据预取技术。
　　
根据数据传输速率的不同，DDR SDRAM有如下系列：266Mb/s,333Mb/s, 400Mb/s，而DDR2 SDRAM有如下系列：400Mb/s,533Mb/s, 667Mb/s,800Mb/s, 1066Mb/s。可以看出，DDR2 SDRAM直接从DDR SDRAM的最高的数据传输率起步，最高可以达到1066Mb/s以上，该性能的大幅提升，正是利用了这种4倍数据预取技术。
　　
图5提供了DDR SDRAM和DDR2 SDRAM的数据预取框图以便比较。

图5 16位存储芯片的数据预取框图
　
* 差分DQS/DQS#信号
　　
DDR SDRAM采用单端DQS信号。
　　
如前文所述，目前广泛应用的DDR2 SDRAM，数据传输率最高已经达到1066Mbit/s，即DQS和DQ的变化率都将达到一秒钟1066M次，其中，DQS作为数据信号DQ的采样参考源，如果采用单端信号已经不足以保证其在高速变化时的信号完整性。
　　
采用差分DQS/DQS#信号，其优势在于：减少信号间串扰的影响，减少DQS输出脉宽对工作电压和温度稳定性的依赖等。因而，建议在使用数据传输率为533Mb/s以上的DDR2 SDRAM系列时，尽量采用差分DQS/DQS#信号。
　　
使能差分DQS信号是通过设置DDR2 SDRAM的EMR寄存器的第10位为0来实现。
　　
* 功耗和封装
　　
DDR SDRAM的电平常用SSTL-2，即信号引脚是利用2.5V电源供电，而DDR2 SDRAM则采用SSTL-18电平，即信号引脚是利用1.8V电源供电。在相同存储容量和相同数据传输率的情况下，DDR2 SDRAM将有更低的功耗。
　　
DDR SDRAM的封装种类有：66引脚的TSOP封装，60引脚的FBGA封装。由于DDR SDRAM的数据传输率不是特别高，因此TSOP封装能较好的工作在这种频率上。而DDR2 SDRAM的最高数据传输率已经达到1066Mb/s，在高频下，TSOP封装的过长的引脚将产生很高的感抗和寄生电容，严重影响芯片工作的稳定性。
　　
DDR2 SDRAM直接采用FBGA封装，基于其良好的电气性能和散热性，保证了芯片在高速工作下的稳定性。
　　
由于DDR2 SDRAM有4位，8位，16位(芯片的DQ引脚的数目，16位表示芯片有16根DQ引脚)三种不同系列，因而无法采用统一引脚数目的封装。目前，4位和8位的芯片采用60或者68引脚的FBGA封装，16位的芯片采用92或者84引脚的FBGA封装。
　　
* OCD
　　
OCD(Off-Chip Driver)即离线驱动调整技术。这是DDR2 SDRAM刚问世时开发的技术，而目前的DDR2 SDRAM芯片已不再支持该技术【2】，因此不再详述。
　　
基于MPC8548 CPU的应用
　　
MPC8548是Freescale公司开发的新一代PowerQUICC III系列的高性能处理器。其内部工作频率可达1.33GHz，在该工作频率上处理性能可达3065 MIPS。一级缓存有指令缓存和数据缓存各32KB，二级缓存为512KB，支持DDR1和DDR2存储器控制器，支持PCI,PCI-X和PCI Express接口，支持SRapid IO接口，支持4个GbE接口。本文将重点讨论基于MPC8548的DDR2 SDRAM接口的硬件设计。
　　
MPC8548最高支持667Mb/s数据传输率的DDR2 SDRAM。因此选型中需要注意不能选用800Mb/s和1066Mb/s系列的芯片。本设计中选用667Mb/s数据传输率的DDR2 SDRAM的DIMM(Dual-Inline-Menory-Modules，双列内存条)内存条，每个内存条上包含9片8位的DDR2 SDRAM 芯片，组成64位数据线和8位ECC(Error Checking and Correcting，错误检查和纠正)校验线的工作方式。
　　
DDR2 SDRAM接口的信号线分为4组，以下以MPC8548命名方式为准，命名和DDR2 SDRAM芯片资料的区别在于信号名之前多一个字母”M”【7】：
　　
1) 数据组：MDQS/MDQS#[8:0], MDM[8:0], MDQ[63:0], MECC[7:0]
2) 地址组：MBA[2:0], MA[15:0], MRAS#, MCAS#, MWE#
3) 命令组：MCS#[3:0], MCKE[3:0], MODT[3:0]
4) 时钟组：MCK/MCK#[5:0]
　　
PCB设计时，建议布线顺序依次为：数据组，地址组，控制组，时钟组，电源。
　　
对于单端信号线，阻抗控制在50～60欧姆内。对于差分信号线，阻抗控制在100～120欧姆内。
　　
如果使能了ODT功能，数据组无需外部匹配电阻，走线直接从MPC8548连接到内存条即可。而地址组和命令组需要在内存条末端利用外部电阻RTT上拉到VTT电平实现匹配，电阻值需要经过仿真确定。如图6，考虑到最佳的信号完整性，RTT应该放在内存条之后，即地址/命令组信号走线从MPC8548出来，应该先到内存条的引脚，然后再走到RTT电源平面实现终端匹配。对于时钟组，一般而言，内存条上都包含了100～120欧姆的差分终端电阻，所以在PCB上无需外加匹配。

图6 MPC8548和DDR2 SDRAM内存条硬件接口设计
　　
由于本设计采用8位的DDR2 SDRAM芯片，因此，对数据组可以分为9个小组：MDQS/MDQS#[0],MDQ[7:0],MDM0为第一组;MDQS/MDQS#[1], MDQ[15:8],MDM1为第二组;依次类推;MDQS/MDQS#[8],MECC[7:0],MDM8为第九组。对这九小组数据线，要求各小组之内，走线在同一层并拥有相同数目的过孔，走线长度差异控制在20mil之内，所有的信号线走线必须以完整的地层作为参考。不同小组之间，走线长度差异控制在500mil之内。对每一小组，小组内的8根MDQS信号线的线序可以根据走线方便的目的进行调整。需要注意，在本设计中，采用的内存条上的存储芯片是8位的(即内存条上每片DDR SDRAM芯片有8根DQ数据线)，因此每8位MDQ信号归为一个小组，市场上还有许多4位，16位的内存条，如果需要兼容这些内存条，硬件设计中需要注意应该以每4位MDQ信号归为一个小组。数据组的信号线和其他组的信号线间距要求在25mil以上，数据组内信号线间距要求在10mil以上。对于差分的MDQS和MDQS#信号，走线长度差异应该控制在10mil之内。
　　
对地址/命令组，该组内信号线长度差异应控制在100mil之内。走线以1.8V电源平面或完整的地层作为参考层。走线和其他组的信号线间距保证在25mil以上。该组内信号线间距保证在10mil以上。

　　
对时钟组，差分信号对内走线长度差异控制在10mil内，尽量在同一层内走线，如果需要换层，两根差分信号应该一起换层。与其他组的信号间距在25mil以上。在MPC8548一侧，一共提供了6对相位相同的时钟对，即MCK/MCK#[5:0]，其目的是为了兼容内存条设计和分立的内存芯片设计。例如在本设计中，如果选用分立的8位存储芯片，一共需要9片，如果MPC8548只提供一对时钟对，其驱动能力显然无以满足9片存储芯片，因此需要由MPC8548提供更多的时钟对输出。如果选用内存条，需要根据内存条的不同种类来决定需要使用多少对时钟对。根据对MCK/MCK#信号是否提供驱动，内存条可以分为Buffered DIMM(缓冲驱动式内存条)和Unbuffered DIMM (非缓冲驱动式内存条)，对于前者而言，由于MCK/MCK#在内存条上需要经过缓冲再送到DDR2 SDRAM芯片，即在内存条上利用缓冲器(通常是带锁相环的缓冲器)保证了该信号的驱动能力，所以只需要MPC8548提供一对时钟对(例如MCK/ MCK#[0])送到内存条即可。对于后者而言，内存条上不提供对时钟对的驱动，通过计算可以知道从MPC8548提供的每对时钟对，能可靠驱动3个DDR2 SDRAM芯片作为负载。因此需要使用MPC8548输出的3对时钟对以驱动内存条上的9片DDR2 SDRAM芯片。对于没有使用到的时钟对，可以通过配置MPC8548的内部寄存器DDRCLKDR进行关闭。
　　
在电源设计方面，需要仔细计算VTT电源发生器及其电源平面是否能满足设计所需要的功耗;需要仔细对VTT, VDDQ, VREF进行去耦滤波;VTT电源平面应该和内存条紧紧相邻;VREF走线宽度建议为20～25mil并和同层的其他电源或信号有至少20mil的间距，VREF必须能跟随VDDQ的变化，建议VREF通过电阻分压网络从VDDQ直接得到，分压电阻精度要求为1%;
　　
设计时，还需要仔细考虑信号时序的要求。数据组信号的时序需要参考本小组的MDQS/MDQS#信号，并利用这对差分对的交叉点采样;地址和命令组信号的时序需要参考对应的时钟组信号，并利用其上升沿采样。对于DDR2 SDRAM，建立时间和保持时间需要考虑由于信号边沿不单调造成的时序降额，计算公式如下：
　　
tSETUP = tSETUP(base) + tSETUP(derating)
tHOLD = tHOLD(base) + tHOLD(derating)
　　
其中，tSETUP和tHOLD是总的建立时间和保持时间要求;tSETUP(base)和tHOLD(base)是从芯片文档能直接得到的建立时间和保持时间的基本要求;tSETUP(derating)和tHOLD(derating)是根据信号及其参考时钟的真实爬升速率查表得出的降额值，该表格可以从芯片文档得到。
　　
这种查表计算降额值的方法，将造成很大的工作量。在实际设计中，一般是利用Hyperlynx等仿真软件直接得到降额值，从而确定信号的时序裕量。特别需要注意的是地址组，由于地址组信号的负载数目一般都比相应的时钟信号多，因此需考虑负载对时序造成的影响。
　　
结语
　　
存储芯片在电子产品中扮演着重要的角色，其性能的高低直接决定着产品的性能。相比DDR SDRAM，DDR2 SDRAM在多方面进行了技术提升，其必将在电子产品市场中发挥越来越重要的作用。

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