Xilinx Kintex-7系列XC7K410T-FFG900外設之DDR3硬件設計

引言：基于K7+C665x為核心的電路板中用到了DDR3存儲芯片，現(xiàn)將FPGA外接DDR3時硬件設計中的一些心得做一個簡單的分享。

1. DDR3與K7-410T互聯(lián)設計

在數(shù)據(jù)速率帶寬約束方面，DDR3運行速度受限于其與K7-410T FPGA互聯(lián)的I/O Bank 管腳以及FPGA器件的速度等級。如下表所示，當FPGA選定時，如需DDR3運行最大工作頻率時，需要將DDR3互聯(lián)至FPGA的HP I/O Bank上，同時也要將Vccaux_io的供電電壓調(diào)整為2.0V。

表1、FPGA I/O支持DDR3外設最大接口數(shù)據(jù)速率

DDR3本身可以互聯(lián)至普通的HR I/O Bank上，但是速度性能是下降的，通常在互聯(lián)時會將DDR3互聯(lián)至HP I/O Bank上，以保證器件性能發(fā)揮至最佳。

2. DDR3與K7-410T原理圖設計

在確定好將DDR3連接至HP Bank上后，在具體原理圖設計時，可以在Xilinx官網(wǎng)下載一份Pinout資料，如下圖所示（其他器件下載鏈接點擊：https://www.xilinx.com/support/package-pinout-files.html）。

圖1：FPGA Pintout下載

在下載的pinout.csv文件中，可以方便的查看IO所在的存儲器Byte組，Bank以及I/O類型等，如下圖所示。圖中存儲器Byte一個Bank內(nèi)按照T0、T1、T2、T3劃分，除了DQS，同一一個Tx組內(nèi)的DQ IO是可以互換的。

圖2：FPGA Pintout文件內(nèi)容

在繪制原理圖時，可以先按照Byte組來進行IO放置，最終IO的放置，還要根據(jù)PCB工程師布線的便利性，在同一個Tx組內(nèi)進行調(diào)整。有兩點需要注意的：1）DDR3管腳IO的分配強烈建議通過Vivado軟件例化DDR3 IP核驗證FPGA IO分配的正確性！2）如果DDR3所在的BANK上有其他外設IO，也要一起驗證IO，確保滿足IO bank電平兼容性。

DDR3的 CLK_P/CLK_N時鐘建議放置在FPGA芯片_SRCC或者_MRCC專用時鐘管腳上，以保證時鐘最佳性能。DDR3地址信號及控制信號放在DQ臨近的HP Bank上即可。本設計中，DDR3 DQ數(shù)據(jù)組放置在HP Bank32上，時鐘、地址及控制信號放置在HP Bank33上。如下圖所示。

圖3：FPGA DDR3 DQ數(shù)據(jù)組

圖4：FPGA DDR3 時鐘、地址及控制組

圖5：DDR3 原理圖設計

3. DDR3與K7-410T 互聯(lián)PCB版圖設計

關于DDR3的PCB設計，需要遵循一些設計規(guī)則，主要包括PCB層疊設計、DDR3布局（含阻容器件）、走線阻抗約束、等長處理等。

這個項目中設計采用：XC7K410T-FFG900，F(xiàn)PGA外掛兩片4Gbit，DDR3：MT41K256M16HA-107IT。PCB采用Fly-by布線，數(shù)據(jù)總位寬32bit，共用地址、控制、時鐘。FPGA及外設DDR3走線如下圖所示。

圖6：整體布線

圖7：數(shù)據(jù)組1

圖8：數(shù)據(jù)組2

圖9：地址/控制組1圖10：地址/控制組2

圖11：地址/控制組3

DDR3布線相對不復雜，有幾點要注意：

1）PCB布局要合理，濾波電容放置要合理，便于PCB走線；

2）PCB走線需要進行阻抗控制；
3）PCB層疊可以自己設計或者讓PCB制版廠提供，根據(jù)自己的阻抗，線寬，BGA間距等要求；
4）VREF參考電壓走線要≥20mil；
5）DQ/DQS/DM信號組要有完整的參考電源層，控制線、地址線、時鐘線也應一樣，避免跨參考分割帶來信號完整性問題。

對于DDR3 PCB詳細設計規(guī)則及軟件設計，在之前的博文中有描述，感興趣的可以點擊下面鏈接詳細了解。