Xilinx FPGA DDR3设计（一）DDR3基础扫盲

由 judy 提交于周二, 7 六月 2022 - 09:40

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引言：本文我们介绍下DDR3的基础知识，涉及DDR3管脚信号、容量计算、重要参数介绍内容。

01.DDR3 SDRAM概述
DDR3 SDRAM 全称double-data-rate 3 synchronous dynamic RAM，即第三代双倍速率同步动态随机存储器。双倍速率（double-data-rate），是指时钟的上升沿和下降沿都发生数据传输；同步，是指DDR3数据的读取写入是按时钟同步的；动态，是指DDR3中的数据掉电无法保存，且需要周期性的刷新，才能保持数据；随机，是指可以随机操作任一地址的数据。

以镁光MT41K256M16RH-107为例（以下介绍均以此芯片为例），该芯片容量为512GB（4Gbit），器件内部功能模块组成如图1所示。
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图1、256M×16功能框图

02.DDR3 SDRAM管脚介绍
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图2、×16芯片FBGA封装管脚分布

由图1和2图所示，DDR3管脚根据不同的功能可以分为：数据组、地址组、控制组和电源组四大类型。

2.1 数据组：DQ[15:0]、UDQS/UDQS#、LDQS/LDQS#、UDM、LDM。

DQ[15:0]：双向信号，16位数据总线；

UDQS/UDQS#、LDQS/LDQS#：双向信号，数据选通信号，用于数据同步；

UDM、LDM：数据屏蔽信号。

2.2 地址组：BA[2:0]、A[14:0]。

BA[2:0]：Bank地址信号；

A[14:0]：地址总线。

2.3 控制组：CK/CK#、CKE、CS#、RAS#、CAS#、WE#、RESET#、ODT、 ZQ#

CK/CK#：时钟信号，双沿采样DQ数据；

CKE：时钟使能信号；

CS#：DDR3片选信号，低有效；

RAS#：行选通信号；

CAS#：列选通信号；

WE#：写使能信号；

ODT：片上终端使能信号。DDR3芯片数据组是有片上端接的，无需外部端接，而控制信号和地址信号为保证信号完整性需要端接匹配；

ZQ：校准管脚，下拉240Ω电阻到VSSQ。

2.4 电源组：

VDD：电源电压，1.5V±5%；

VDDQ：DQ供电，1.5V±5%；

VREFCA：控制、命令和地址参考电压，电压为VDD/2；

VREFDQ：数据参考电压，电压为VDD/2；

03.DDR3 寻址及容量计算
3.1 DDR3数据寻址
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图3、DDR存储阵列示意

如图3所示，DDR3的内部是一个存储阵列，类似一张二维表格，数据读写操作即对这个阵列进行操作。所谓寻址就是操作指定表格单元（图中黄色单元格）所需的步骤，即读写某个表格单元，需要先指定一个行（Row），再指定一个列（Column）。这个表格通常称为逻辑Bank，一个DDR3有多个Bank组成。

3.2 容量计算

以镁光MT41K256M16RH-107为例。
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图4、DDR3地址组成

由图4可以，Row address = 15bit，Column address = 10bit，Bank address = 3bit，则器件总存储单元为：

2^15×2^10×2^3 = 2^28= 256M单元格，每个单元格为16bit，总计容量为：256M×16bit = 512MB（4Gbit）。

04.DDR3 关键参数解析
DDR3器件手册给出了非常详尽的参数介绍，里面有几个非常重要的参数下面来介绍一下。

4.1 突发传输及突发长度
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图5、非连续突发读操作

突发是指在同一行中相邻的存储单元连续进行数据传输的方式。如图5所示，突发长度BL=8，即送出一次读命令和读地址，连续输出8个数据。

另外，连续读取操作，即控制好两次突发读间隔时间，即可实现连续读输出操作，如图6所示，图中需要控制好参数tCCD。
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图6、连续读操作

4.2 CAS Latency（CAS潜伏期）

该参数又称读取潜伏期或列地址脉冲选通潜伏期，简写成CL，该参数以时钟周期为单位，该参数表示从读命令和地址有效发出后，数据稳定数据的延迟时钟个数。如图7所示，当CL=6时，有效数据在6个时钟之后输出。
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图7、读延迟周期CL = 6

4.3 tRCD：RAS至CAS延迟

tRCD表示行地址选通脉冲到列地址选通脉冲延迟，如图8所示，该参数以时钟周期为单位。
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图8、读操作

4.4 附加延迟（AL）

如图8所示，AL = 5，CL = 6，由此读操作有效数据在RL = AL + CL = 11个时钟后输出。

4.5 tRP预充电周期
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图9、tRP预充电周期

预充电有效周期，在发出预充电命令之后，要经过一段时间才能允许发送RAS行有效命令打开新。