采用外部存储器解决方案提高系统性能

采用外部存储器解决方案提高系统性能
采用外部存储器解决方案提高系统性能
白皮书
WP-01134-1.0
Altera 设计了外部存储器解决方案的所有组件使其协调工作,实现当今应用所需要的
高性能、高效产品。解决方案的所有组件都能够协调工作,使 Altera ® FPGA 满足了所
有应用要求的高性能标准。
引言
Altera ® FPGA 70% 以上的设计都需要某些类型的外部存储器,但不同的应用会有不同
的需求。本白皮书详细介绍了采用 Altera FPGA 构建外部存储器解决方案,包括应用
需求、Altera FPGA 的存储器功能以及器件和知识产权 (IP) 选择等。还讨论了构成
Altera PHY 的模块化存储器组件,对电路进行的改进,以及电路校准功能,具有高级
块管理等新特性的控制器新产品等。此外,Altera 还提供了高质量的测试、工具、设
计实例和文档。
应用需求
表 1 列出了从高性能 DDR3 到低功耗移动 DDR 每种应用的存储器利用率。对于固网
40/100G 应用,其性能非常关键,DDR3 必须以很快的速度运行才能满足网络要求。另
一方面,对于军用手持式无线电等便携式应用,功耗是最重要的指标。这些便携式应
用牺牲性能以换取低功耗,这是因为它们通常是电池供电系统,功耗是决定因素。还
有很多其他应用实例,对存储器类型和速度有不同的要求。
表 1. 具体应用所需要的存储器
应用
需求
存储器标准
40G/100G
高性能
DDR3、 RLDRAM II、 QDR II/+
基站
低延时
DDR2/3
视频处理
提高效率
高效的多端口, DDR3 @ 533 MHz
磁盘阵列、服务器、加速器
更多的功能
RDIMM、 ONFI、闪存、 QDR II/+
低功耗 / 便携式
低功耗
LPDDR、移动 DDR
Altera 设计了自己的 FPGA 和 IP 产品,能够满足各类应用的需求。Altera FPGA ( 图 1
所示 ) 在某些应用中的价值体现包括:
101 Innovation Drive
San Jose, CA 95134
www.altera.com
2010 年 6 月
■
Stratix ® IV 和 Stratix V FPGA——性能最高,达到 800 MHz。
■
Cyclone ® IV FPGA——低功耗和低密度
■
Arria ® II GX FPGA——功耗比 Stratix IV 和 Stratix V FPGA 低,但是性能优于
Cyclone IV FPGA。
版权 © 2010 Altera 公司。保留所有版权。 Altera、可编程解决方案公司、程式化 Altera 标识、专用器件名称
和所有其他专有商标或者服务标记,除非特别声明,均为 Altera 公司在美国和其他国家的商标和服务标记。
所有其他产品或者服务名称的所有权属于其各自持有人。 Altera 产品受美国和其他国家多种专利、未决应用、
模板著作权和版权的保护。 Altera 保证当前规范下的半导体产品性能与 Altera 标准质保一致,但是保留对产
品和服务在没有事先通知时的升级变更权利。除非与 Altera 公司的书面条款完全一致,否则 Altera 不承担由
此处所述信息、产品或者服务导致的责任。 Altera 建议客户在决定购买产品或者服务,以及确信任何公开信息
之前,阅读 Altera 最新版的器件规范说明。
Altera 公司
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第2页
模块化存储器组件
图 1.Altera FPGA 的存储器性能
800-MHz
DDR3
„ 800-MHz DDR3
„ 533-MHz DDR3
Performance
„ DDR1/2/3, QDR
„ DDR2/3, QDR
II/+, RLDRAM II
II/+, RLDRAM II
„ 400-MHz DDR3
„ DDR1/2/3, QDR
II/+
„ 200-MHz DDR2
„ DDR1/2
Logic Density
模块化存储器组件
Altera FPGA 通过外部存储器 IP 来提高存储器性能,它包括 PHY 和控制器。设计人员
可以选择 Quartus ® II 软件 10.0 所列出的默认存储器解决方案,根据存储器要求选择
最佳 PHY 和控制器 IP ( 表 2 所示 ),也可以选择定制存储器接口。
表 2. 默认的 PHY 和控制器解决方案
PHY
控制器
UniPHY
HPMCII
Arria II GX
ALTMEMPHY
HPMCII
Cyclone IV
ALTMEMPHY
HPMCII
FPGA
Stratix IV 和 Stratix IV
如前所述,默认存储器解决方案并不是唯一选择。Altera 存储器解决方案是模块化
的,设计人员可以构建定制 PHY 或者定制控制器,也可以根据需要同时构建这些组件。
可以混合并匹配图 2 所示的模块化组件,以构成 Altera 存储器解决方案。
图 2.Altera 存储器解决方案中的模块化组件
PHY
UniPHY
FPGA
Logic
Memory Controller
or
ALTMEMPHY
采用外部存储器解决方案提高系统性能
Memory
T
h
e
i
m
a
g
e
QDR II,
QDR II+,
RLDRAM II/III,
DDR2/3
T
h
e
Memory
FPGA
i
m
a
g
e
DDR1/2/3
2010 年 6 月
Altera 公司
Altera 提供的 PHY
第3页
Altera 提供的 PHY
Altera 有两类 PHY,用于低功耗应用的 ALTMEMPHY,以及高性能应用的 UniPHY,
UniPHY 的延时只有 ALTMEMPHY 的一半。UniPHY 增加了一些新特性以支持高性能应用需
求,包括 PLL 和 DLL 共享,支持 QDR II/II+ 和 RLDRAM II,以及新的智能校准算法。
除了新特性,UniPHY 还通过 PHY 在体系结构上减小了延时。
Stratix V 改进电路
Altera 一直非常重视提高存储器性能,降低延时,例如,新的 Stratix V FPGA 对电路
和 PHY 进行了大幅度改进。由于这些改进措施,Stratix V FPGA 达到了提高存储器接
口性能,降低延时的目的。对读 / 写通路的所有这些关键电路进行了改进,以确保高
频时达到时序逼近。与 Stratix IV FPGA 相比,I/O 模块中的硬核 FIFO 缓冲支持新的
UniPHY,延时是 PHY 的一半。
例如,在 400 MHz,ALTMEMPHY 读延时是 23 个周期,而 UniPHY Stratix V FPGA PHY 延
时为 11 个周期。其他特性,例如占空比校正、高级校准算法以及电压和温度 (VT) 补
偿去偏移延时等,提高了高速数据速率的工作余量,增强了系统可靠性。Stratix V
FPGA 不仅提高了存储器接口性能,而且使其更容易实现。
校准功能
除了 UniPHY 的新特性以及 Stratix V FPGA 为提高存储器性能,减小延时所进行的改
进之外,Altera PHY IP 还具有内置校准功能,帮助设计人员实现所需要的性能。
ALTMEMPHY 和 UniPHY 以及所有的 Altera FPGA 都支持这些校准特性。
Altera 存储器 IP 提供三类校准功能,每一类完成一种关键功能,以维持外部存储器性
能。
■
存储器到器件的采集余量——校准排序器去除 DQ 组的偏移,以获得最佳采集窗口。
■
通过校准,借助重新同步余量,从存储器域到系统域——去除偏移后,排序器很好
的完成了采集存储器域的数据,必须将其传送至系统域。在重新同步阶段,自动校
准排序器使用重新同步校准功能,自动设置 PLL 相位,以达到最佳重新同步余量。
■
采用 VT 补偿,保持余量不随时间变化——这一校准功能维持了在各种 VT 下建立的余
量不变。VT 补偿功能保持了在各种功耗、电压和温度 (PVT) 条件下都有可靠的余
量。
校准功能集成到 PHY IP 中,完成其功能时不需要设计人员的参与,设计人员非常清楚
这一方法。这三种方法使 Altera 器件获得了很好的性能,并能够保持性能不变。
Altera 提供的控制器
存储器解决方案的第二部分是控制器。在高性能存储器控制器 (HPMC) 基础上,Altera
新的高性能存储器控制器 II (HPMCII) 所具有的新功能 ( 表 3) 进一步提高了 Altera
器件处理存储器数据的效率,从而提高了接口的总体性能。
表 3.Altera 控制器的功能
特性
2010 年 6 月
Altera 公司
HPMCII
HPMC
具有子字写功能的 ECC
✔
✔
功耗管理
✔
✔
5 周期控制器延时 (ECC 时为 6)
✔
✔
采用外部存储器解决方案提高系统性能
第4页
质量保证
表 3.Altera 控制器的功能
特性
HPMCII
支持 800-MHz DDR3 存储器
✔
具有超前命令功能的高级块管理
✔
灵活的系统接口
✔
运行时可编程
✔
HPMC
具有超前命令功能的高级块管理
控制器的高效特性使 Altera FPGA 提高了性能。特别是,具有超前命令功能的高级块
管理使 HPMCII 的效率比 HPMC 高 5 倍。这一高效特性是所有 Altera FPGA 的关键优势
所在,使其能够进一步提高性能。
通过高级块管理特性,Altera FPGA 能够更高效的使用空闲命令总线,从而减小了总线
上的空闲时间。在到达的整个数据包激活总线之前,高级块管理特性并没有等待读或
者写命令完成 ( 图 3,左侧 ),而是预管理链路,超前预测需要获得哪些数据包,或者
应将数据放到哪里 ( 图 3,右侧 )。这意味着,数据一旦到达,总线和存储器便准备好
进行处理,而不是仅启动总线初始化。这一特性使 FPGA 中的应用程序运行更平稳,获
得最佳性能。
图 3. 高级块管理特性
No Look Ahead
Idle cmd bus
With Look-Ahead Bank Management
Not Efficient!!
Use of idle cycles for
bank-management
Bank 0 Read
Bank 1 Read
Bank 2 Read
质量保证
Altera 非常重视设计人员的使用体验,帮助他们缩短设计时间,并通过外部存储器接
口提高设计效能,对此,进行了全面的测试,提供使用方便的工具、实例设计、驱动
程序、测试台,以及经过改进和扩展的文档。
测试
对质量的承诺对于外部存储器 IP 非常重要,这是因为设计人员希望它能够首次便正常
工作。Altera 进行了大量的测试,以确保能够实现这些预期。在新的 PHY 和控制器中
不但增强了性能、效率和延时,Altera 还确保外部存储器解决方案非常可靠,而且使
用方便。这是在大规模测试验证环境的帮助下实现的,并且结合存储器 IP 对器件进行
了测试。通过严格的硬件测试以保证存储器功能,这涉及到测试所有实际存储器和仿
真器件。设计流程测试确保了工具产生的设计能够按预期工作,PHY 满足设计人员的预
期,可靠的达到时序逼近。
工具
除了进行测试以确保器件和 IP 能够在外部存储器互联上可靠工作之外,Altera 还提供
工具,以简化 Altera FPGA 中外部存储器接口的设计。这些使用方便的工具包括:
■
存储器IP——以清晰文本TRL的形式提供PHY和控制器IP,使设计人员能够根据需要
来修改设计。不需要经过工厂的允许来查看清晰文本,这些文本是由 IP 提供的。
采用外部存储器解决方案提高系统性能
2010 年 6 月
Altera 公司
结论
第5页
■
存储器 IP 接口——PHY 在 PHY 至控制器链接上使用 Altera PHY 接口 (AFI),在控制器
至架构链接上使用 Avalon ®存储器映射 (Avalon-MM) 接口。
■
时序和引脚约束——工具和文档提供了方便的时序和引脚约束。
实例
Altera 提供各种实例设计、驱动程序和测试台,帮助设计人员开始设计:
■
实例设计——可进行参数赋值的设计实例包括 PHY、控制器和驱动程序等。
■
实例驱动程序——实例驱动程序包括一个可以进行参数赋值的数据流发生器。
■
实例测试台——实例测试台集成了存储器模型和实例设计,提供基本的功能验证。
文档
Altera 重新设计了外部存储器接口手册和 IP 文档,使用起来更加方便。在开发文档流
程时考虑到了设计人员的需求,每一章节中的数据都符合设计人员所进行的设计步骤。
因此,当设计人员深入阅读手册时,所提供的信息与具体设计有很大的关系。现在,
所有器件的信息都处于中心位置,随后是更多的逻辑流程,以增强效能。
除了重新设计的手册之外,Altera 还提供很多系统级参考设计,帮助设计人员迅速开
始他们的设计。例如,AN 431:PCI Express 至外部存储器参考设计演示了怎样采用
Altera IP 来开发存储器解决方案,将其连接至其他的 IP,例如,Stratix IV GX FPGA
上的 DDR3 至 PCI Express 接口。
结论
为实现低延时解决方案所要求的 800-MHz DDR3 高性能互联,需要 IP、硬件、测试验证
和文档同时协调工作。Altera 设计了外部存储器解决方案的所有组件使其协调工作,
实现外部存储器设计人员所需要的高效、使用方便的高性能产品。解决方案的所有组
件都能够协调工作,使 Altera ® FPGA 满足了所有应用要求的高性能标准。
详细信息
■
Stratix V FPGA:为带宽而打造:
www.altera.com/products/devices/stratix-fpgas/stratix-v/stxv-index.jsp
■
资料:Stratix V 器件:
www.altera.com/products/devices/stratix-fpgas/stratix-v/literature/stvliterature.jsp
■
Altera 的外部存储器解决方案中心:
www.altera.com/technology/memory/mem-index.jsp
■
网播:“采用高级芯片和存储器 IP 实现 800-MHz DDR3 性能”
www.altera.com/education/webcasts/all/wc-2010-800mhz-adv-silicon-memory-ip.html
2010 年 6 月
Altera 公司
■
高性能存储器控制器 II SDRAM MegaCore ®功能:
www.altera.com/products/ip/iup/memory/m-alt-high-perf-mem-controller-ii.html
■
资料:外部存储器接口:
www.altera.com/literature/lit-external-memory-interface.jsp
采用外部存储器解决方案提高系统性能
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致谢
■
AN 431:PCI Express 至外部存储器参考设计:
www.altera.com/literature/an/an431.pdf
致谢
■
Bryce Mackin,产品营销经理,Altera 公司。
文档修订历史
表 4 列出了本文档的修订历史。
表 4. 文档修订历史
日期
2010 年 6 月
版本
1.0
进行的修改
初次发布。
采用外部存储器解决方案提高系统性能
2010 年 6 月
Altera 公司
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