引言：本文我們介紹FPGA外設DDR2/DDR3硬件設計相關內容，包括PCB板層數估計，信號端接、信號完整性及時序考慮等問題。

1.介紹

Artix-7和Spartan-7器件有各種各樣的軟件包，它們的設計都是為了獲得最大的性能和最大的靈活性。Spartan-7 FPGA封裝體積小，封裝尺寸從8mm到27mm不等，而Artix-7 FPGA封裝尺寸從10mm到35mm不等。包裝的間距分別為1.0mm、0.8mm和0.5mm。包間距定義為BGA包上連續球之間的距離，從中心到中心測量，如圖1所示。 一般來說，隨著間距的減小，PCB布線的挑戰增加，因為在封裝球之間布線和通孔的空間變小了。

2.層計數估算和成本權衡

圖2中公式給出了扇出全部FPGA管腳所需的FPGA層疊數。

對于Xilinx 成本優化的FPGA，信號引腳的數量約為BGA球總數的60%。另外40%包括電源和接地信號，這些信號通常通過過孔直接連接到參考層。這是假定I/O利用率已滿。如果使用較少的I/O，則布線的信號層數相應減少。

Routing Channels：是出BGA的可用布線路徑的總數，例如，（一側的BGA球數–1）× 四面。圖3顯示了5×5 BGA封裝，總計16個布線路徑，即：

一側BGA球數 = 5，布線路徑 =（5-1）× 4 = 16。

每個布線路徑的布線通常是一個或兩個，這取決于可以在頂層/底層的BGA焊盤之間走線的數量。從信號完整性的角度來看，遵守面向制造的設計（DFM）指南對于確保滿足走線阻抗要求至關重要。圖4顯示了每個通道布線的示意圖。內層上每個通道的布線取決于通孔之間的間距，并考慮到鉆至覆銅的規格要求。 對于間距為0.5mm的封裝，焊盤尺寸和封裝間距尺寸將PCB設計者限制為BGA焊盤之間的單個跡線。然而，當選擇0.8mm或1mm間距的封裝時，PCB設計師可以靈活地選擇單跟走線或兩根走線。 在高密度BGA下扇出信號時要考慮的關鍵因素包括：

外層焊盤的尺寸

通孔的尺寸和相應的焊盤/反焊盤尺寸

走線寬度和間距要求

可用的信號層數量

PCB設計師在布局期間可用的參數主要由封裝間距決定。為降低PCB制造成本，PCB設計人員除了使用更細的寬度外，還可以使用諸如微通孔、盲孔和埋入通孔等先進制造技術。然而，這些先進的制造技術并不是確保DDR3設計成功的必要條件。下圖4是各種行業術語的簡要說明，以及適用于標準PCB制造成本的近似值。

通孔縱橫比：PCB厚度與最小通孔鉆孔直徑之比。這是用來作為指導，以確保PCB制造商不超過機械能力的鉆孔設備。通孔縱橫比為10:1在標準PCB制造中相當常見。通過使用先進的PCB制造技術，在保持面向制造的設計（DFM）規則的同時，通孔縱橫比可以增加到20:1。

背鉆孔過孔：背面鉆孔過孔是一種通孔，其部分長度“鉆出”使其不再導電。這提高了信號完整性，因為它從路由中刪除了不需要的stub。典型的背鉆孔成本增加為PCB總制造成本的5-10%。焊盤中的通孔：焊盤中的通孔是直接鉆在焊盤下方的通孔。這樣就不需要使用單獨的金屬跡線（桁條）來放下通孔。這有助于突破布線和改善信號完整性，PCB制造成本會增加+10–15%，取決于通孔縱橫比。埋孔和盲孔：埋孔完全位于印刷電路板內部，不接觸頂層或底層；盲孔從頂層或底層傳輸到內部信號層。兩種類型的過孔都為其他布線在上方或下方騰出空間。這與通孔不同，通孔從頂層一直通到底層。埋孔或盲孔的成本增加取決于PCB上不同類型的埋孔或盲孔的數量。每種類型的埋入/盲孔都需要單獨的層壓循環，從而產生額外的成本。例如，在16層PCB上具有三種不同類型的埋置/盲孔（L1–L4、L16–L12、L4–L8）會導致每種類型的埋置/盲孔增加30%的成本。微通孔：微通孔是盲孔的一種形式。微通孔的尺寸非常小。它們是用激光形成的，通常一次不能穿透超過一到兩層。對于每種類型的通孔，成本增加約為15%。額外層：添加額外信號層的成本可能低于上述一些高級via技術的成本。因此，增加PCB層數不應總是被視為消極的選擇。兩個附加層的成本通常使PCB制造成本增加15–20%。 通過先進的制造工藝，PCB設計師可以指定窄至2.5mil、間距為2.5mil的走線，以實現最佳SI性能的目標阻抗規格。

3.低成本DDR3設計指南

根據系統要求，DDR2/3內存作為一組離散SDRAM或DIMM模塊連接到Artix-7和Spartan-7 FPGA。并非這些產品系列中的所有器件都支持所有可能的內存配置。支持的確切內存配置取決于特定的芯片/封裝組合。 無論拓撲結構如何，DDR2/3接口能否以盡可能高的數據速率成功運行取決于驅動器和接收器緩沖器、終端、互連阻抗、延遲匹配、串擾和電源完整性。兩種內存類型的一般比較如表3所示，而DDR2和DDR3共用的信號如圖6所示。

表3、DDR2和DDR3內存要求比較

圖6、DDR2和DDR3內存通用的體系結構和接口技術 本節提供了實現低成本PCB設計的高級布局指南。成功的內存布局面臨的關鍵挑戰是：

在最少的路由層上扇出所有數據和地址信號

通過最小化串擾、阻抗不連續引起的信號反射等，確保可靠的信號完整性。

4.信號完整性

DQ、DM、DQS網絡通常是點對點連接。這些網絡是雙向的，數據鎖存在其相關數據選通信號的上升沿和下降沿上。Xilinx建議如下：

選擇輸出阻抗最接近傳輸線阻抗的FPGA驅動器設置

從FPGA到存儲設備的PCB上的特性阻抗使用50Ω

在DRAM上啟用最接近50Ω的片上終端（ODT）設置，以最小化寫操作期間的反射

在讀取操作期間啟用FPGA端接，以確保雙向高數據速率操作的匹配端接

為了盡量減少串擾，建議在換層期間將信號間距盡量加大并盡量減少通孔stub長度。然而，FPGA和DRAM器件下的面積受到空間的限制，很難將信號間距加大。為了簡化PCB布局，Xilinx允許最小間距，即在扇出區域中為1X間距。1X間距是指走線之間的距離，等于走線寬度。當扇出FPGA/DRAM器件時，只要走線長度小于1in，就可以保持這種間距。為進一步確保可靠的信號完整性，還必須遵循以下準則：

扇出BGA器件區域后，走線間距保持2X間距或更大間距。

使用FR4型基板，從FPGA到DRAM的PCB互連總長度不大于4英寸。

時鐘、地址、命令和控制信號時鐘、ADDR（地址）、CMD（命令）和控制信號通常是點對多點連接，需要一種稱為Fly-by的獨特拓撲結構。這些信號是單向的，從FPGA驅動到存儲器設備。差分時鐘時序信號分析的參考信號。外部端接ODT不適用于這些網絡，需要外部離散終端。推薦的形式通常是在遠端放置一個電阻器，經過最后一個存儲設備，然后拉到VTT（VVDDQ/2）。上拉電阻器的值和互連線路的阻抗取決于網絡上的設備數量。這些值通常通過模擬進行優化。 對于低成本設計，Xilinx建議遵循以下準則。

Xilinx建議使用50Ω 特性阻抗端接電阻到遠端的VTT（VDDQ/2）。這適用于大多數情況。

對于CLK差分對，建議實現100Ω 的差分阻抗，使用兩個單獨的50Ω 上拉電阻VDDQ和電容器。

圖8顯示了VTT電容器的布置。為確保可靠的電源完整性，Xilinx建議每四個終端電阻至少放置一個0.1μF電容與VTT相連。

此外，Xilinx建議將DRAM之間的互連長度和從最后一個DRAM到端接電阻的stub長度保持在0.75in以內。5.信號網的延遲匹配雖然走線長度、阻抗和終端可以確保信號完整性，確保同步網絡之間的延遲匹配同樣重要。字節通道中的所有DQ和DM網絡必須與其關聯的DQS網絡相匹配。Xilinx建議如下：

所有DQ/DM網絡應與其相關的DQS網絡匹配，對于800Mb/s的DDR2/DDR3接口，走線時延保持±15ps

所有DQ/DM網絡應與其相關的DQS網絡匹配，對于1066Mb/s的DDR2/DDR3接口，走線時延保持±15ps

對于單向信號，所有ADDR/CMD/CTRL信號必須與CLK信號匹配。它是一個很好的設計實踐，匹配每個傳輸線段（FPGA到DRAM1，FPGA到DRAM1）DRAM2、FPGA Fly-By端電阻等）在合理公差范圍內±25ps。

6.結論

Xilinx Artix-7和Spartan-7器件可以分別以1066Mb/s和800Mb/s的速度與DDR2/3進行互操作。本文的目的是為使用先進制造技術的層數估計和成本影響提供指導。此外，本文還提出了低成本PCB設計的高層次布局準則，有助于優化I/O性能，降低性能的風險。

責任編輯：haq