Xilinx Kintex-7系列XC7K410T-FFG900外设之DDR3硬件设计_xilinx k7 ddr3等长约束

引言：基于K7+C665x为核心的电路板中用到了DDR3存储芯片，现将FPGA外接DDR3时硬件设计中的一些心得做一个简单的分享。

1. DDR3与K7-410T互联设计

在数据速率带宽约束方面，DDR3运行速度受限于其与K7-410T FPGA互联的I/O Bank 管脚以及FPGA器件的速度等级。如下表所示，当FPGA选定时，如需DDR3运行最大工作频率时，需要将DDR3互联至FPGA的HP I/O Bank上，同时也要将Vccaux_io的供电电压调整为2.0V。

表1、FPGA I/O支持DDR3外设最大接口数据速率

DDR3本身可以互联至普通的HR I/O Bank上，但是速度性能是下降的，通常在互联时会将DDR3互联至HP I/O Bank上，以保证器件性能发挥至最佳。

2. DDR3与K7-410T原理图设计

在确定好将DDR3连接至HP Bank上后，在具体原理图设计时，可以在Xilinx官网下载一份Pinout资料，如下图所示（其他器件下载链接点击：https://www.xilinx.com/support/package-pinout-files.html）。

图1：FPGA Pintout下载

在下载的pinout.csv文件中，可以方便的查看IO所在的存储器Byte组，Bank以及I/O类型等，如下图所示。图中存储器Byte一个Bank内按照T0、T1、T2、T3划分，除了DQS，同一一个Tx组内的DQ IO是可以互换的。

图2：FPGA Pintout文件内容

在绘制原理图时，可以先按照Byte组来进行IO放置，最终IO的放置，还要根据PCB工程师布线的便利性，在同一个Tx组内进行调整。有两点需要注意的：1）DDR3管脚IO的分配强烈建议通过Vivado软件例化DDR3 IP核验证FPGA IO分配的正确性！2）如果DDR3所在的BANK上有其他外设IO，也要一起验证IO，确保满足IO bank电平兼容性。

DDR3的 CLK_P/CLK_N时钟建议放置在FPGA芯片_SRCC或者_MRCC专用时钟管脚上，以保证时钟最佳性能。DDR3地址信号及控制信号放在DQ临近的HP Bank上即可。本设计中，DDR3 DQ数据组放置在HP Bank32上，时钟、地址及控制信号放置在HP Bank33上。如下图所示。

图3：FPGA DDR3 DQ数据组

图4：FPGA DDR3 时钟、地址及控制组

图5：DDR3 原理图设计

3. DDR3与K7-410T 互联PCB版图设计

关于DDR3的PCB设计，需要遵循一些设计规则，主要包括PCB层叠设计、DDR3布局（含阻容器件）、走线阻抗约束、等长处理等。

这个项目中设计采用：XC7K410T-FFG900，FPGA外挂两片4Gbit，DDR3：MT41K256M16HA-107IT。PCB采用Fly-by布线，数据总位宽32bit，共用地址、控制、时钟。FPGA及外设DDR3走线如下图所示。

图6：整体布线

图7：数据组1

图8：数据组2

图9：地址/控制组1

图10：地址/控制组2

图11：地址/控制组3

DDR3布线相对不复杂，有几点要注意：
      1）PCB布局要合理，滤波电容放置要合理，便于PCB走线；

2）PCB走线需要进行阻抗控制；

3）PCB层叠可以自己设计或者让PCB制版厂提供，根据自己的阻抗，线宽，BGA间距等要求；

4）VREF参考电压走线要≥20mil；

5）DQ/DQS/DM信号组要有完整的参考电源层，控制线、地址线、时钟线也应一样，避免跨参考分割带来信号完整性问题。

对于DDR3 PCB详细设计规则及软件设计，在之前的博文中有描述，感兴趣的可以点击下面链接详细了解。

1）Artix-7 and Spartan-7 FPGAs DDR2/DDR3 PCB设计指导

2）Xilinx Virtex-6/Spartan-6 FPGA DDR3信号完整性分析和PCB布局指南

3）Xilinx 7系列FPGA DDR3硬件设计规则

4）Xilinx FPGA DDR3设计（一）DDR3基础扫盲

5）Xilinx FPGA DDR3设计（二）时钟介绍

6）Xilinx FPGA DDR3设计（三）DDR3 IP核详解及读写测试

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