1 簡(jiǎn)介

本文主要講述一下DDR從0到1設(shè)計(jì)的整個(gè)設(shè)計(jì)的全過(guò)程，內(nèi)容涵蓋以下部分：

• SDRAM電路設(shè)計(jì)
• DDR4電路設(shè)計(jì)

下一篇文章內(nèi)容：

• DDR4級(jí)聯(lián)
• DDR4 Layout注意事項(xiàng)
  

2 SDRAM電路設(shè)計(jì)

W9825G6KH-6是一種 動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 ，存儲(chǔ)的容量為 256 Mbit ，支持最大時(shí)鐘頻率為 166MHz ，供電范圍 3V~3.6V 。

電路分析：

• 地址線A0-A12 ：行地址線為A0-A12；列地址線為A0-A8，無(wú)需上拉電阻；
• 數(shù)據(jù)線DQ0-DQ15 ：數(shù)據(jù)的輸入輸出線為DQ0-DQ15，無(wú)需上拉電阻;
• 片選信號(hào)CS ：當(dāng)CS為低電平時(shí)，表示選中該芯片。多個(gè)芯片復(fù)用或者與NAND FlashNor Flash復(fù)用時(shí)，需要注意該信號(hào)。
• 行選通信號(hào)RAS列選通信號(hào)CAS ：行選通信號(hào)為RAS（Row Addredd Strobe）,低電平有效，列選通信號(hào)為CAS（Column Addredd Strobe），低電平有效;
• 寫(xiě)使能信號(hào)WE ：寫(xiě)使能信號(hào)為WE（Rrite Enable）,低電平有效；
• 數(shù)據(jù)輸入輸出屏蔽信號(hào)LDQMUDQM ：用于在讀模式下控制輸出緩沖，在寫(xiě)模式下屏蔽輸入數(shù)據(jù)。LDQM，UDQM這些信號(hào)線是為了實(shí)現(xiàn)字節(jié)訪問(wèn)和半字訪問(wèn)，LDQM控制低八位，UDQM控制高八位，這樣當(dāng)要按字節(jié)寫(xiě)的時(shí)候，就把高八位屏蔽掉。
• 時(shí)鐘信號(hào)CLK ：輸入時(shí)鐘信號(hào)；
• 時(shí)鐘使能CKE ：輸入時(shí)鐘使能引腳CKE，高電平有效。
• 電源引腳VDD和VDDQ ：均采用3.3V供電。

3 DDR4電路設(shè)計(jì)

今天使用的DDR顆粒為鎂光的MT40A256M16GE-075E（DDR 的廠家有三星、鎂光、海力士、東芝，國(guó)產(chǎn)廠家有長(zhǎng)鑫、紫光），數(shù)據(jù)位寬為16bit，存儲(chǔ)的容量為4Gbit（容量計(jì)算請(qǐng)參考：硬件電路設(shè)計(jì)之DDR電路設(shè)計(jì)（1））,支持最高的時(shí)鐘頻率為1.333 GHz，供電范圍1.14V-1.26V，封裝形式為96-Ball FBGA。

電路分析：

• 電源設(shè)計(jì)

DDR4的電源主要有以下幾個(gè)部分： VDD（核電壓）、VDDQ 、 參考電壓VREF、VTT、激活電壓VPP 。

1、電源VDD

Power supply通常也會(huì)被稱(chēng)為主電源（核電壓），其供電范圍: 1.2V ±0.060V。隨著不斷發(fā)展，主電源（核電壓）的電壓在不斷降低，具體見(jiàn)下：

2、電源VDDQ

DQ power supply是給IO buffer供電的電源，其供電范圍：1.2V ±0.060V。一般情況下，VDD和VDDQ合成一個(gè)電源使用，即VDDQ=VDD。

3、參考電壓VREFCA

控制、命令和地址的參考電壓。該電壓要求跟隨VDDQ，且VREF=VDDQ/2。參考電壓VREF可以通過(guò)兩種方式獲取：

• 電阻分壓

VREF需要的電流比較小，一般為mA和幾十mA的數(shù)量級(jí)，這種方式在布局上比較靈活，且成本較低。分壓電阻的取值范圍：100Ω-10kΩ，電阻精度為1%。參考電壓VREF每個(gè)分壓電阻上需要添加一個(gè)0.1uF的濾波電容。

• 電源芯片提供

此處推薦的芯片是TID的電源管理芯片（TPS51200DRCR），TPS51200 器件是一款灌電流和拉電流雙倍數(shù)據(jù)速率 (DDR) 終端穩(wěn)壓器，專(zhuān)門(mén)針對(duì)低輸入電壓、低成本、低噪聲的空間受限型系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。

TPS51200 可保持快速的瞬態(tài)響應(yīng)，僅需 20μF 超低輸出電容。TPS51200 支持遙感功能，并滿(mǎn)足 DDR、DDR2、DDR3、DDR3L、低功耗 DDR3 和 DDR4 VTT 總線終端的所有電源要求。

此外，TPS51200 還提供一個(gè)開(kāi)漏 PGOOD信號(hào)來(lái)監(jiān)測(cè)輸出穩(wěn)壓，并提供一個(gè) EN 信號(hào)在 S3（掛起至 RAM）期間針對(duì)DDR應(yīng)用對(duì)VTT進(jìn)行放電。

4、用于匹配的電壓VTT

VTT為匹配電阻上拉到的電源，VTT=VDDQ/2 。DDR的設(shè)計(jì)中，根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，有的設(shè)計(jì)使用不到VTT，如控制器帶的DDR器件比較少的情況下。 如果使用VTT，則VTT的電流要求是比較大的，所以需要走線使用銅皮鋪過(guò)去。 并且VTT要求電源，即可以提供電流，又可以灌電流(吸電流)。

一般情況下可以使用專(zhuān)門(mén)為DDR 設(shè)計(jì)的產(chǎn)生VTT的電源芯片來(lái)滿(mǎn)足要求(曾經(jīng)使用過(guò)程中用了簡(jiǎn)單的線性穩(wěn)壓器也沒(méi)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)什么問(wèn)題，這種方式還是不建議的)。每個(gè)拉到VTT的電阻旁一般放一個(gè)10nF~100nF的電容，整個(gè)VTT電路上需要有uF級(jí)大電容進(jìn)行儲(chǔ)能。

一般情況下，DDR的數(shù)據(jù)線都是一驅(qū)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且DDR2和DDR3內(nèi)部都有ODT做匹配，所以不需要拉到VTT做匹配即可得到較好的信號(hào)質(zhì)量。而地址和控制信號(hào)線如果是多負(fù)載的情況下，會(huì)有一驅(qū)多，并且內(nèi)部沒(méi)有ODT，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為走T點(diǎn)結(jié)構(gòu)或Flayby結(jié)構(gòu)，所以常常需要使用VTT進(jìn)行信號(hào)質(zhì)量的匹配控制。

5、激活電壓VPP

VPP為激活電壓，一般為2.5V電壓，上電的時(shí)間必須早于VDD，且在整個(gè)工作期間必須保持高于VDD的電壓。

6、ZQ電阻

輸出驅(qū)動(dòng)校準(zhǔn)的外部參考。這個(gè)腳應(yīng)該連接240ohm 電阻到 VSSQ。

• 時(shí)鐘設(shè)計(jì)

1、CK_T、CK_C

**CK_T、CK_C是差分時(shí)鐘輸入 。所有的地址、命令和控制信號(hào)都是在CK_T上升沿和CK_C下降沿的 交叉位置采樣 。

2、CKE

CKE是時(shí)鐘使能信號(hào)，高電平有效。

• 數(shù)據(jù)信號(hào)

1、DQ數(shù)據(jù)線

數(shù)據(jù)輸入/輸出，雙向數(shù)據(jù)總線。

2、DBI_n、LDBI_N、UDBI_n

數(shù)據(jù)掩碼以及數(shù)據(jù)總線倒置：DM 信號(hào)是作為寫(xiě)數(shù)據(jù)的掩碼信號(hào),當(dāng) DM 信號(hào)為低電平時(shí),寫(xiě)命令的輸入數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的位將被丟棄。DM 在 DQS 的兩個(gè)條邊沿都采樣。同時(shí),在 MR5 中的 A10,A11,A12 可選擇此信號(hào)是 DM 還是 DBl。在 X8 設(shè)備中, MR1 的 A11 可控制此信號(hào)是 DM 或者 TDQS, DBI 為低電平時(shí),DDR4 SDRAM 會(huì)將數(shù)據(jù)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)存儲(chǔ)以及輸出,反之,DBI 為高電平時(shí),則不會(huì)翻轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，TDQS 僅支持 X8 設(shè)備。

3、LDQS_T、LDQS_C

數(shù)據(jù)選通信號(hào):輸入時(shí)與寫(xiě)數(shù)據(jù)同時(shí)有效,輸出時(shí)與讀數(shù)據(jù)同時(shí)有效,與讀數(shù)據(jù)時(shí)邊沿對(duì)齊的,但是跳變沿位于寫(xiě)數(shù)據(jù)的中心。在 x16 系統(tǒng)中,DQSL 對(duì)應(yīng)到 DQL0_7；DQSU 對(duì)應(yīng)到DQU0_7；DQS_t，DQSL_t 與 DQSU_t 分別與 DQS_c, DQSL_c與 DQSU_c,對(duì)應(yīng)為差分信號(hào)對(duì)。DDR4 SDRAM 僅支持選通信號(hào)為差分信號(hào),不支持單根信號(hào)的數(shù)據(jù)選通信號(hào)。

• 地址和控制信號(hào)

1、BA[1:0]

BANK地址輸入，用于指定當(dāng)前操作的BANK。

2、BG[1:0]

Bank Group 地址輸入；BG0-BG1可以選擇當(dāng)前的 ACT、READ、WRITE或是PRE 命令是對(duì)哪一個(gè) BANK 組進(jìn)行操作。在MODE REGISTER SET 命令中，BG0 也參與模式寄存器的選擇。在 X4、X8 系統(tǒng)中，有 BG0和BG1，而 X16 系統(tǒng)中，僅有 BG0。

3、A[17:0]

地址輸入引腳，其中有些引腳具有一些其它的復(fù)用功能，詳見(jiàn)下：

• A10有AP功能（自動(dòng)預(yù)充電）
• A12有BC_N功能（突發(fā)中止）
• A14有WE_N功能（寫(xiě)使能）
• A15有CAS_N功能（行地址選通）
• A16有RAS_N功能（列地址選通）

4、ODT

片上終端電阻使能，高電平有效。

5、RESET

復(fù)位信號(hào)，低電平有效。

6、ALERT_N

警告信號(hào)，低電平有效。當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤（CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤等）時(shí)，該引腳會(huì)被拉低。

7、TEN

連接測(cè)試信號(hào)，高電平有效。正常使用使用過(guò)程中，該信號(hào)必須為低電平。

8、PAR

奇偶檢驗(yàn)使能信號(hào)。這個(gè)功能必須通過(guò)寄存器來(lái)使能或失能。

9、ACT_N

激活信號(hào)，低電平有效。ACT_N為低電平時(shí)，A[16：14]為復(fù)用功能，ACT_N為低電平時(shí)為高電平時(shí)，A[16：14]為地址線。