FPGA与外部存储设备的接口实现

引言
当今社会是数字化的社会，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担，设计师们更希望在教研室里就能验证所设计的电路功能。FPGA的出现，使得芯片设计和应用跨入了一个新的领域。

研究背景

随着硬件方面的急速发展，与之相配套的软件也不断更新，更快﹑更智能的原理图编辑﹑设计实现和验证工具都被集成到EDA开发工具中。这些发展大大缩短了FPGA的开发周期，增强了FPGA设计的灵活性和可移植性，也避免了专用集成电路设计的高风险。但由于片内存储器受器件规模和生产成本的制约，其容量通常不能满足用户实际需求，这就需要使用半导体存储器件来扩展存储空间。针对这种情况，本文专门研究了FPGA与两种典型的存储器接口实现问题。在设计实现中采用了Xilinx公司Virtex-E系列的FPGA （XCV300E）﹑ISSI公司的高速静态存储器IS63LV1024和HYNIX公司的HY57V281620HC(L/S)T动态存储器。

XCV300E性能介绍

FPGA（现场可编程门阵列）是可编程逻辑器件的一种，它不仅可以提高系统的可靠性，使得系统结构更加紧凑，节省了电路板的面积，而且实现成本低﹑开发周期短，是进行原始设计的理想载体。Virtex-E系列产品对所有Virtex特性都进行了加强,采用领先的0.18 m六层金属互连半导体工艺制造，大大提高了器件性能和密度，同时还提供了可进一步满足下一代数据通信和DSP应用带宽要求的高性能系统特性组合。Xilinx公司的VirtexE XCV300E，采用BGA432封装，片内Block RAM为131，072 比特，Distributed RAM为98,304比特，System Gates为411，955门，Logic Gates为82,944门。特性如下：

1.工作在1.8V电压下的快速﹑高密度FPGA器件 ；
2.采用高度灵活的I/O选择技术，支持20种高性能接口标准；
3.采用高性能的链路选择技术；
4.精密复杂的存储器选择机制；
5.高性能的时钟管理电路；
6.具有能平衡速度与密度的灵活性体系结构；
7.基于SRAM方式的系统配置。

SRAM性能介绍

为了能更好﹑更有效的设计FPGA与IS63LV1024的接口实现，必须先了解IS63LV1024的性能特点。充分利用这些特点会使设计的实现变得事半功倍。IS63LV1024是128K 8的高速静态存储器，性能特点包括：

1.工作在3.3V电压下，高速接入时间一般分为8、10、12和15ns；

2.高性能﹑低功耗器件（使用ICSI高性能COMS技术制作过程和使用新的电路设计技术）；

3.通过选择CE和OE的状态可以比较简单的实现存储；

4. CE可以使器件进入power-down工作模式，即 没有被选择时，器件进入一种挂起状态，使得功率消耗小于250 W；

5.不需要时钟和更新，是全静态工作过程；

6.所有的输入和输出都是与TTL相兼容的。

除此之外，为了保证所传输的数据的正确性还必须要了解IS63LV1024的读写状态的时序和使能的要求。其读写时序状态如图1所示：

DRAM性能简介

DRAM与SRAM不同，它只能将数据保持很短的时间。为了保持数据，DRAM 必须隔一段时间刷新一次，如果存储单元没有刷新，数据就会丢失。SRAM虽不需刷新，但断电后会丢失数据。SRAM的数据传输速率从10 ns到30 ns不等，DRAM要比它慢30 ns左右。因此，SRAM通常用于高速缓冲存储器，而DRAM通常用来存储较大的数据。HY57V281620HC(L/S)T是4Banks 2M 16bit的同步动态存储器，性能特点包括：

1.工作在3.3 0.3V电压下；
2.所有器件管脚都与LVTTL接口兼容；
3.所有的输入和输出操作都是在时钟CLK上升沿的作用下进行；
4.通过UDQM或者LDQM来实现数据延时功能；
5.内部有四个bank可以进行操作；
6.自刷新功能，刷新周期为4096；
7.可编程的猝发类型、猝发长度；
8.可编程的的CAS延迟为2或3个时钟周期。

由上面的特性可知，DARM的读写操作与SRAM有较大的不同。根据HY57V281620HC(L/S)T的读写状态的时序要求，其读写时序状态如图2所示:

设计实现

当设计FPGA与SRAM的接口时，由于它的传输速度较快，所以只需着重考虑如何保证存储数据的正确性，而不需要考虑用其它方式来提高SRAM的存储速度。本设计的做法是一次性写满128k数据后，再一次性读出128k数据。为了保证数据的正确性，要求在写数据时不能读数据，而在读数据时不能写数据。

当设计FPGA与DRAM的接口时，为了能满足各种系统的使用要求，本设计创建了时钟频率、猝发长度、延时节拍等可编程参数。在具体操作DRAM时，首先，必须进行初始化配置，即写模式寄存器，以便确定DRAM列选延迟节拍数、猝发类型、猝发长度等工作模式。然后通过ACT命令激活对应地址的组，同时输入行地址。最后，通过RD或WR命令输入列地址，将相应数据读出或写入到对应的地址。操作完成