デュアルDIMM DDR2およびDDR3 SDRAMのボード・デザイン・ガイドライン、外部メモリ・インタフェース・ハンドブック、Volume 2、第5章

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1 5? 2012? EMI_DG_ EMI_DG_ この章では デュアル バッファなし DIMM (UDIMM) DDR2 および DDR3 SDRAM インタフェースの実装のガイドラインについて説明します この章では デュアル DIMM 構成を次の条件で使用して データ信号のシグナル インテグリティに対する影響を説明します 1 スロット実装対 2 スロット実装 DIMM を 1 個使用する場合のスロット 1 実装対スロット 2 実装 75 Ω の On-Die Termination (ODT) 設定対 150 Ω の ODT 設定 f シングル DIMM DDR2 SDRAM インタフェースについて詳しくは DDR2 および DDR3 SDRAM のボード デザイン ガイドライン の章を参照してください この項では 最大 400 MHz および 800 Mbps のデータ レートで動作するデュアル スロット バッファなし DDR2 SDRAM インタフェースの実装のガイドラインについて説明します 図 5 1 に DDR2 SDRAM コンポーネントの ODT 機能を使用したデュアル DIMM インタフェース構成の標準的な DQS DQ および DM 信号トポロジーを示します V TT R T = 54Ω Board Trace DDR2 SDRAM DIMMs () FPGA () Slot 1 Slot 2 Board Trace Board Trace (1) 回線の FPGA の最後にある並列終端抵抗 R T = 54 Ω to V TT は ダイナミックな On-Chip Termination(OCT) をサポートするデバイスにはオプションです 2012 年 Altera Corporation. All rights reserved. ALTERA, ARRIA, CYCLONE, HARDCOPY, MAX, MEGACORE, NIOS, QUARTUS and STRATIX words and logos are trademarks of Altera Corporation and registered in the U.S. Patent and Trademark Office and in other countries. All other words and logos identified as trademarks or service marks are the property of their respective holders as described at Altera warrants performance of its semiconductor products to current specifications in accordance with Altera's standard warranty, but reserves the right to make changes to any products and services at any time without notice. Altera assumes no responsibility or liability arising out of the application or use of any information, product, or service described herein except as expressly agreed to in writing by Altera. Altera customers are advised to obtain the latest version of device specifications before relying on any published information and before placing orders for products or services. ISO 9001:2008 Registered Feedback Subscribe

2 この項のシミュレーションでは Stratix II デバイス ベース ボードを使用します FPGA デバイス ファミリの制限のため シミュレーションは 266 MHz および 533 Mbps に制限されます そのため 実際のハードウェアの結果にその比較を直接行うことができます デュアル DIMM DDR2 SDRAM インタフェースを理解するために 1 個の Stratix II FPGA と 2 個のバッファなし 267 MHz DDR2 SDRAM バッファなし UDIMM との間をインタフェースする次の解析機能を使用して シミュレーションと測定セットアップを評価しました この DDR2 SDRAM インタフェースは Stratix II High Speed High Density ボードを使って構築されます ( 図 5 2) f Stratix II High-Speed High-Density ボードに関しての詳しい情報につきましては 販売代理店にご連絡下さい Stratix II High-Speed ボードでは Stratix II 2S90F1508 デバイスを使用します DQS DQ および DM 信号の場合 このボードは DDR2 SDRAM DIMM の近くに並列終端抵抗を外付けせずに DDR2 SDRAM コンポーネントの ODT 機能を利用するようにデザインされます Stratix II FPGA デバイスにはダイナミック OCT がないため 回線の FPGA の最後には 外付けの並列終端抵抗を使用します ダイナミック OCT をサポートする Stratix III および Stratix IV デバイスは FPGA の最後の並列終端を必要としません したがって このディスクリート並列終端はオプションです

3 DDR2 SDRAM DIMM は 各データ ストローブとデータ ラインに 22 Ω の外部直列終端抵抗を備えているため すべての測定とシミュレーションではこれらの直列終端抵抗の影響を考慮に入れる必要があります Stratix II High Speed High Density ボードで実行したベンチ測定の相関をとるために HyperLynx LineSim ソフトウェアでアルテラおよびメモリ ベンダからの IBIS モデルを使用して シミュレーションを行います 図 5 3 に シミュレーションに使用される HyperLynx でのシミュレーション セットアップの例を示します ボード上に DIMM が 1 個しか存在しない場合は ODT コントロールは比較的簡単です メモリ書き込み時にメモリの ODT 機能がオンになり メモリ読み出し時にメモリの ODT 機能がオフになります しかし ボード上に複数個の DIMM が存在する場合には ODT コントロールは複雑になります システム上にデュアル DIMM インタフェースがある場合 コントローラには読み書き時のメモリ ODT のオン / オフについて様々なオプションがあります 表 5 1 に メモリ書き込み時の DDR2 SDRAM ODT コントロールの一覧を示します ; 表 5 2 に メモリからの読み出し時に示します これらの DDR2 SDRAM ODT コントロールは Samsung Electronics 社が推奨するものです JEDEC DDR2 仕様は R TT ( 標準 ) = 50 Ω のオプション サポートを含むように更新されました

4 f Samsung 社が推奨する DDR2 SDRAM ODT コントロールについて詳しくは Samsung DDR2 Application Note: ODT (On Die Termination) Control を参照してください DR DR Slot 1 直列 50 Ω 無限大 無限大 75 または 50 Ω 無限大 Slot 2 直列 50 Ω 75 または 50 Ω 無限大 無限大 無限大 SR SR Slot 1 直列 50 Ω 無限大未実装 75 または 50 Ω 未実装 Slot 2 直列 50 Ω 75 または 50 Ω 未実装無限大未実装 DR Empty Slot 1 直列 50 Ω 150 Ω 無限大 未実装 未実装 Empty DR Slot 2 直列 50 Ω 未実装 未実装 150 Ω 無限大 SR Empty Slot 1 直列 50 Ω 150 Ω 未実装 未実装 未実装 Empty SR Slot 2 直列 50 Ω 未実装 未実装 150 Ω 未実装 (1) 400 MHz および 533 Mbps での DDR2 = 75 Ω;667 MHz および 800 Mbps での DDR2 = 50 Ω (2) SR = 単一ランク ;DR = デュアル ランク DR DR スロット 1 並列 50 Ω 無限大 無限大 75 または 50 Ω 無限大 スロット 2 並列 50 Ω 75 または 50 Ω 無限大 無限大 無限大 SR SR スロット 1 並列 50 Ω 無限大未実装 75 または 50 Ω 未実装スロット 2 並列 50 Ω 75 または 50 Ω 未実装無限大未実装 DR Empty スロット 1 並列 50 Ω 無限大 無限大 未実装 未実装 Empty DR スロット 2 並列 50 Ω 未実装 未実装 無限大 無限大 SR Empty スロット 1 並列 50 Ω 無限大 未実装 未実装 未実装 Empty SR スロット 2 並列 50 Ω 未実装 未実装 無限大 未実装 (1) 400 MHz および 533 Mbps での DDR2 = 75 Ω;667 MHz および 800 Mbps での DDR2 = 50 Ω (2) SR = 単一ランク ;DR = デュアル ランク High Speed High Density ボード上の Stratix II デバイスの近くのすべてのデータ ストローブ ラインとデータ ラインには 54 Ω の外部並列終端抵抗が接続されます 伝送線の特性インピーダンスは 54 Ω 用にデザインされますが 製造プロセス変動を考慮すると レシーバ終端でアンダー ターミネーションにすることが推奨されます このため FPGA 側での終端抵抗として 54 Ω を使用します

5 デュアル DIMM メモリ システムでは両メモリ スロットに実装するのが一般的ですが 1 スロットだけに実装する場合もあります 例えば 初期段階では一定量のメモリを実装し アプリケーションが複雑になった段階で 2 つ目のメモリ スロットに実装することにより システムの再デザインなしに容易にアップグレードできるようにデザインするシステムもあります 次の項では デュアル DIMM システムの 1 スロットだけに実装した場合と デュアル DIMM システムの両スロットに実装した場合について説明します 表 5 1 示すメモリ ベンダが推奨する ODT コントロール およびその他の可能な ODT 設定が FPGA システムにとって有効か否かを評価します この項では スロット 1 に実装し スロット 2 は未実装にしたデュアル DIMM メモリ インタフェースについて説明します この項では 未実装 DIMM スロットによる信号品質への影響を調べ シングル DIMM メモリ インタフェースと比較します DDR2 SDRAM の ODT 機能には 150 Ω と 75 Ω の 2 つの設定があります 表 5 1 では 1 スロットのみ実装のデュアル DIMM 構成に対する推奨 ODT 設定は 150 Ω になります 1 333MHz/667Mbps 以上で動作する DDR2 SDRAM デバイスでは この他に 50 Ω 設定の ODT 機能をサポートしています f DDR2 SDRAM デバイスの ODT 設定について詳しくは それぞれのメモリ製品を参照してください Ω 図 5 4 に ダブル並列終端方法 (Class II) を示します この方法では FPGA 側で 25 Ω の OCT ドライブ強度を設定して FPGA がメモリへ書き込みを行う際に メモリ側の直列抵抗と組み合わせてメモリ上の ODT を使用します FPGA DDR2 DIMM 25Ω VTT = 0.9V RT= 54Ω DDR2 Component 50Ω RS = 22Ω 300Ω/ 150Ω V REF 3" Trace Length V REF = 0.9V 300Ω/ 150Ω

6 図 5 5 に HyperLynx シミュレーションとダブル並列終端を行ったメモリ上の信号のボード測定値を示します この終端方式では FPGA がメモリへ書き込みを行う際に メモリ側の直列抵抗伝送線と組み合わせてメモリ上の 150 Ω の ODT 設定を使っています さらに FPGA 側で 25 Ω の OCT ドライブ強度を設定しています 表 5 3 に シミュレーションとメモリ上の信号のボード測定値との比較をまとめます メモリ インタフェースは シングル DIMM とスロット 1 にのみ実装したデュアル DIMM を使用しています ダブル並列終端では メモリ側直列抵抗と組み合わせて 150 Ω の ODT 設定を使用しています FPGA 上の OCT 強度設定は 25 Ω です シミュレーション NA 測定値 シミュレーション 測定値 (1) シングル DIMM DDR2 SDRAM メモリ インタフェースのシミュレーションとボード測定値は Stratix II Memory Board 2 に基づいています シングル DIMM DDR2 SDRAM インタフェースについて詳しくは DDR2 および DDR3 SDRAM のボード デザイン ガイドライン の章を参照してください 表 5 3 は シングル DIMM メモリ インタフェースとスロット 1 にのみ実装したデュアル DIMM メモリ インタフェースとの間に大きな差がないことを示します シミュレーションとボード測定値に見られるオーバーシュートとアンダーシュートは メモリ側で 150 Ω の ODT 設定を使用したためにレシーバ側でオーバー ターミネーションが発生したことが原因と考えられます さらに 未実装スロットがあるための余分な DIMM コネクタの存在も大きな影響を与えていません

7 ODT 設定を 75 Ω にした場合 150 Ω の ODT 設定と比べてアイの幅と高さに差はありません ただし ODT 設定を 75 Ω にすると オーバーシュートとアンダーシュートは発生しません これは DDR2 SDRAM デバイス上のインピーダンスが整合する正しい終端の実現に役立ちます 1 75 Ω の ODT 設定を使って取得した結果については 5 24 のページを参照してください メモリの読み出し時には ODT 機能はオフにされます したがって 150 Ω の ODT 設定と 75 Ω. の ODT 設定の使用の間に差はありません このため 終端方式はシングル並列終端方式 (Class I) になります この方式では FPGA 側には外部抵抗を メモリ側には直列抵抗を それぞれ使います ( 図 5 6) FPGA 25Ω VTT = 0.9V DDR2 DIMM DDR2 Component RT= 54Ω 50Ω RS = 22Ω 300Ω/ 150Ω V REF = 0.9V 3" Trace Length V REF 300Ω/ 150Ω 図 5 7 に シミュレーションと FPGA 上の信号のボード測定結果を示します この FPGA では FPGA 側の外部並列抵抗とメモリ側直列抵抗を組み合わせて使うシングル並列終端を使用し メモリではフル ドライブ強度を設定します

8 表 5 4 に シミュレーションと FPGA 上の信号のボード測定値との比較をまとめます メモリ インタフェースはシングル DIMM とスロット 1 にのみメモリを実装したデュアル DIMM を使用します シングル並列終端では メモリ側直列抵抗と組み合わせて FPGA 側の外部並列抵抗を使用します メモリはフル強度を設定します シミュレーション NA NA 測定値 NA NA シミュレーション NA NA 測定値 NA NA (1) シングル DIMM DDR2 SDRAM メモリ インタフェースのシミュレーションとボード測定値は Stratix II Memory Board 2 に基づいています シングル DIMM DDR2 SDRAM インタフェースについて詳しくは DDR2 および DDR3 SDRAM のボード デザイン ガイドライン の章を参照してください 表 5 4 は シングル DIMM メモリ インタフェースとスロット 1 にのみ実装したデュアル DIMM メモリ インタフェースとの間に大きな差がないことを示します 未実装スロットがあるための余分な DIMM コネクタの存在も大きな影響を与えていません この項では スロット 2 に実装し スロット 1 は未実装にしたデュアル DIMM メモリ インタフェースについて説明します 特に この項では DIMM 位置の信号品質に対する影響について説明します 前の項ではスロット 1 にのみ実装したデュアル DIMM メモリ インタフェースについて説明しましたが この場合はメモリが FPGA の近くに配置されます スロット 2 にメモリを実装すると メモリは FPGA から離れることになるため パターン長が長くなるのでメモリから見た信号品質に影響を与える可能性があります 次の項では デュアル DIMM メモリ インタフェースのスロット 1 とスロット 2 への実装の間に差があるか否かを調べます

9 Ω 図 5 8 に ダブル並列終端方式 (Class II) を示します この方式では FPGA 側で 25 Ω の OCT ドライブ強度を設定して FPGA がメモリへ書き込みを行う際に メモリ側の直列抵抗と組み合わせてメモリ上の ODT を使っています FPGA DDR2 DIMM 25Ω VTT = 0.9V RT= 54Ω DDR2 Component 50Ω RS = 22Ω 300Ω/ 150Ω V REF 3" Trace Length V REF = 0.9V 300Ω/ 150Ω 図 5 9 に シミュレーションとダブル並列終端を行ったメモリ上の信号の測定値を示します この終端方法では FPGA がメモリへ書き込みを行う際に メモリ側の直列抵抗伝送線と組み合わせてメモリ上の 150 Ω の ODT 設定を使っています FPGA 側では 25 Ω の OCT ドライブ強度を設定します

10 表 5 5 に シミュレーションと DDR2 SDRAM DIMM 上の信号のボード測定値との比較をまとめます メモリ インタフェースはスロット 1 のみ またはスロット 2 のみに実装したデュアル DIMM を使用します ダブル並列終端ではメモリ側直列抵抗と組み合わせて 150 Ω の ODT 設定を使用します FPGA 上の OCT 強度設定は 25 Ω です シミュレーション 測定値 シミュレーション NA 測定値 表 5 5 には デュアル DIMM メモリ インタフェースのスロット 1 またはスロット 2 への実装の間に大きな差がないことを示します シミュレーションとボード測定値に見られるオーバーシュートとアンダーシュートは メモリ側で 150 Ω の ODT 設定を使用したためにレシーバ側でアンダー ターミネーションが発生したことが原因と考えられます ODT 設定を 75 Ω にした場合 150 Ω の ODT 設定と比べてアイの幅と高さに差はありません ただし ODT 設定を 75 Ω にすると オーバーシュートとアンダーシュートは発生しません これは DDR2 SDRAM デバイス上のインピーダンスが整合する正しい終端の実現に役立ちます f 75 Ω の ODT 設定に対する詳しい結果については 5 25 のページを参照してください メモリからの読み出し時には ODT 機能がオフになるので 150 Ω の ODT 設定と 75 Ω の ODT 設定の使用の間に差はありません このため 終端方式はシングル並列終端方式 (Class I) になります この方式では FPGA 側には外部抵抗を メモリ側には直列抵抗を それぞれ使います ( 図 5 10) FPGA 25Ω VTT = 0.9V DDR2 DIMM DDR2 Component RT= 54Ω 50Ω RS = 22Ω 300Ω/ 150Ω V REF = 0.9V 3" Trace Length V REF 300Ω/ 150Ω

11 図 5 11 に シミュレーションと FPGA 上の信号のボード測定結果を示します この FPGA では FPGA 側の外部並列抵抗とメモリ側直列抵抗を組み合わせて使うシングル並列終端を使用し メモリではフル ドライブ強度を設定します 表 5 6 に シミュレーションと FPGA 上の信号のボード測定値との比較をまとめます メモリ インタフェースはスロット 1 またはスロット 2 にのみメモリを実装したデュアル DIMM を使用 シングル並列終端ではメモリ側直列抵抗と組み合わせて FPGA 側の外部並列抵抗を使用します メモリではフル強度を設定します シミュレーション NA NA 測定値 NA NA シミュレーション NA NA 測定値 NA NA 表 5 6 から DIMM メモリがスロット 1 に実装されるか スロット 2 に実装されるかによらず FPGA 上の信号は同じであることが分かります

12 この項では スロット 1 とスロット 2 の両スロットに実装したデュアル DIMM メモリ インタフェースについて説明します この場合には スロット 1 のメモリまたはスロット 2 のメモリへ書き込むことができます 表 5 1 では 両スロットに実装のデュアル DIMM 構成に対する推奨 ODT 設定は 75 Ω になっています 150 Ω の ODT 設定のオプションがあるため この項では 150 Ω 設定の使い方も説明して 推奨される 75 Ω に対して結果を比較します Ω 図 5 12 に ダブル並列終端方式 (Class II) を示します この方式では FPGA 側で 25 Ω の OCT ドライブ強度を設定して FPGA がメモリへ書き込みを行う際に メモリ側の直列抵抗と組み合わせてメモリ上の ODT を使います このケースでは FPGA がスロット 1 のメモリに書き込み スロット 2 のメモリの ODT 機能がオンになります FPGA DDR2 DIMM Slot 1 25Ω VTT = 0.9V RT= 54Ω DDR2 Component 50Ω RS = 22Ω 300Ω/ 150Ω V REF 3" Trace Length V REF 300Ω/ 150Ω 50Ω Slot 2 DDR2 DIMM DDR2 Component RS = 22Ω 300Ω/ 150Ω V REF = 0.9V 300Ω/ 150Ω

13 図 5 13 に HyperLynx シミュレーションとダブル並列終端を行ったスロット 1 のメモリ上の信号のボード測定値を示します この終端方式では FPGA がメモリへ書き込みを行う際に メモリ側の直列抵抗伝送線と組み合わせてメモリ上の 75 Ω の ODT 設定を使っています FPGA 側では 25 Ω の OCT ドライブ強度を設定します 表 5 7 に シミュレーションとメモリ上の信号のボード測定値との比較をまとめます メモリ インタフェースは片方のスロットにのみ実装したデュアル DIMM と両スロットに実装したデュアル DIMM を使用します ダブル並列終端ではメモリ側直列抵抗と組み合わせて 75 Ω の ODT 設定を使用します FPGA 上の OCT 強度設定は 25 Ω です シミュレーション NA 測定値 シミュレーション NA 測定値 表 5 7 は 片方のスロットまたは両スロットに実装した場合に アイの高さに大きな差がないことを示します ただし DIMM メモリが追加されたために負荷が大きくなるので エッジ レートが低下し そのためにアイの幅が小さくなり メモリのセットアップ タイムとホールド タイムが劣化します このために データの有効ウインドウが小さくなります

14 ODT 設定を 150 Ω にした場合 75 Ω の ODT 設定と比べてアイの幅と高さに差はありません ただし ODT 設定を 150W にすると オーバーシュートとアンダーシュートが発生します これは DDR2 SDRAM デバイス上のインピーダンスの不整合に起因するアンダー ターミネーションが原因です Ω の ODT 設定を使って取得した結果については 5 26 のページを参照してください Ω このケースでは FPGA がスロット 2 のメモリに書き込み スロット 1 のメモリの ODT 機能がオンになります 図 5 14 に HyperLynx シミュレーションとダブル並列終端を行ったスロット 1 のメモリ上の信号のボード測定値を示します この終端方式では FPGA がメモリへ書き込みを行う際に メモリ側の直列抵抗伝送線と組み合わせてメモリ上の 75 ΩODT を使っています FPGA 側では 25 Ω の OCT ドライブ強度を設定します 表 5 8 に シミュレーションとメモリ上の信号のボード測定値との比較をまとめます メモリ インタフェースはスロット 1 にのみ実装したデュアル DIMM を使用します ダブル並列終端ではメモリ側直列抵抗と組み合わせて 75 Ω の ODT 設定を使用します FPGA 上の OCT 強度設定は 25 Ω です シミュレーション 測定値 シミュレーション NA 測定値 s

15 表 5 8 から シミュレーションとボード測定値は共に スロット 1 への書き込みでアイの幅が大きくなっていることを示しているのが分かります これはスロット 1 への書き込みでエッジ レートが良くなっていることに起因します スロット 1 への書き込みでのアイの改善は 終端の位置からきています スロット 1 へ書き込む際に スロット 2 の ODT 機能がオンになるので フライバイ トポロジーになっています スロット 2 へ書き込む際に スロット 1 の ODT 機能がオンになるので 非フライバイ トポロジーになっています ODT 設定を 150 Ω にした場合 75 Ω の ODT 設定と比べてアイの幅と高さに差はありません ただし ODT 設定を 150 Ω にすると オーバーシュートとアンダーシュートが発生します これは DDR2 SDRAM デバイス上のインピーダンスの不整合に起因するアンダー ターミネーションが原因です 150 Ω の ODT 設定を使って取得した結果については 5 27 ページの スロット 2 のメモリへの書き込みー 150 Ω の ODT 設定を使用 両スロットに実装 を参照してください 表 5 2 では 両スロットに実装したデュアル DIMM 構成に対する推奨 ODT 設定は 読み出さないスロットで 75 Ω の設定を使う ODT 機能をオンにすることです 150 Ω の ODT 設定のオプションがあるため この項では 150 Ω 設定の使い方も説明して 推奨される 75 Ω に対して結果を比較します

16 Ω 図 5 15 に ダブル並列終端方式 (Class II) を示します この方式では FPGA がメモリから読み出しを行う際に メモリ側の直列抵抗と組み合わせてメモリ上の ODT を使います メモリ側ではフル ドライブ強度を設定します このケースでは FPGA がスロット 1 のメモリから読み出し スロット 2 のメモリの ODT 機能がオンになります FPGA DDR2 DIMM Slot 1 25Ω VTT = 0.9V RT= 54Ω DDR2 Component 50Ω RS = 22Ω 300Ω/ 150Ω V REF 3" Trace Length V REF 300Ω/ 150Ω 50Ω Slot 2 DDR2 DIMM DDR2 Component RS = 22Ω 300Ω/ 150Ω V REF 300Ω/ 150Ω

17 図 5 16 に シミュレーションと FPGA 上の信号の測定値を示します FPGA はスロット 1 のメモリを読み出し メモリではフル ドライブ強度を設定します (1) シミュレーションと測定で使用した縦軸スケールは 200 mv/div に設定 表 5 9 に シミュレーションと FPGA 上の信号のボード測定値との比較をまとめます 両スロットに実装したデュアル DIMM メモリ インタフェースとスロット 1 にのみ実装したデュアル DIMM メモリ インタフェースを使います Ω シミュレーション NA NA 測定値 NA NA シミュレーション NA NA 測定値 NA NA 表 5 9 は 両スロットに実装した場合 DIMM メモリの追加のために負荷が増えてエッジ レートが低速になり その結果アイの幅が狭くなったことを示します 150 Ω の ODT 設定を使って取得した結果については 5 28 ページの スロット 1 のメモリからの読み出しースロット 2 の 150W の ODT 設定を使用 両スロットに実装 を参照してください

18 Ω このケースでは FPGA がスロット 2 のメモリから読み出し スロット 1 のメモリの ODT 機能がオンになります FPGA DDR2 DIMM Slot 1 25Ω VTT = 0.9V RT= 54Ω DDR2 Component 50Ω RS = 22Ω 150Ω/ 300Ω V REF = 0.9V 3" Trace Length V REF 150Ω/ 300Ω 50Ω Slot 2 DDR2 DIMM DDR2 Component RS = 22Ω 150Ω/ 300Ω V REF 150Ω/ 300Ω

19 図 5 18 に HyperLynx シミュレーションと FPGA 上の信号のボード測定結果を示します この FPGA では FPGA 側の外部並列抵抗とメモリ側直列抵抗 さらに 75 Ω の ODT 設定を組み合わせて使うダブル並列終端を使用し メモリではフル ドライブ強度を設定します (1) シミュレーションと測定で使用した縦軸スケールは 200 mv/div に設定 表 5 10 に シミュレーションと FPGA 上の信号のボード測定値との比較をまとめます 両スロットに実装したデュアル DIMM メモリ インタフェースとスロット 1 にのみ実装したデュアル DIMM メモリ インタフェースを使います Ω シミュレーション NA NA 測定値 NA NA シミュレーション NA NA 測定値 NA NA 表 5 10 は デュアル DIMM メモリ インタフェースの片方のスロットのみに実装した場合 両スロットに実装したデュアル DIMM メモリ インタフェースと比べてアイの幅が広くなることを示しています これは スロット 1 にある DIMM の負荷に起因するものと見られます ODT 設定を 150 Ω にした場合 75 Ω の ODT 設定と比べて信号品質に差はありません

20 150 Ω の ODT 設定を使って取得した結果については 5 29 ページの スロット 2 のメモリからの読み出し ( スロット 1 の 150 Ω の ODT 設定を使用 両スロットに実装 ) を参照してください DDR2 SDRAM インタフェース上のアドレスおよびコマンド信号は FPGA のメモリ コントローラが DIMM スロットに駆動する単方向信号です これらの信号は 常にメモリのラインの終わりに終端された Class I です ( 図 5 19) 常に最後の DIMM の後に DDR2 SDRAM のアドレスおよびコマンドの Class I 終端を配置します インタフェースは 1 つまたは 2 の DIMM を持つことはできますが DIMM の合計は 3 以上であることはできません V TT R P = 47 DDR2 SDRAM DIMMs () Board Trace C FPGA () Slot 1 Slot 2 Board Trace A Board Trace B 図 5 19 では 次のポイントを観察します ボード トレース A = 1.9 to 4.5 インチ (48 ~ 115 mm) ボード トレース B = インチ ( mm) ボード トレース C = 0.2 ~ 0.55 インチ (5 ~ 13 mm) ボード トレース A + B + C の合計 = 2.5 ~ 5 インチ (63 ~ 127 mm) R P = 36 ~ 56 Ω すべてのアドレスとコマンド信号に一致させる長さ +250 mils (+5 mm) または +/ 50ps (DIMM でのメモリ クロックの長さ ) アドレスおよびコマンド信号グループに信号品質を向上させるために 最初の DIMM スロット 1 の前に直接に補償コンデンサを配置することがあります コンデンサに適合する場合 アルテラは 24 pf の値を推奨します f 詳細は Micron TN47-01 を参照してください

21 アドレスおよびコマンドの信号グループ ( バンク アドレス アドレス RAS# CAS# および WE#) は フル レートまたはハーフ レートのメモリ コントローラを実装するかどうかに応じて異なるトグル レートで動作します フル レートのデザインでは 信号のアドレスおよびコマンド グループは 1T 信号であり 信号がメモリ クロック サイクルごとに変更することができます アドレスおよびコマンド信号は シングル データ レート (SDR) です したがって フル レートの PHY デザインでは アドレスおよびコマンド信号は最大周波数のデータ レートの 0.5 倍で動作します 例えば 266 MHz のフル レートのデザインでは アドレスおよびコマンドの最大周波数は 133 MHz になります ハーフ レートのデザインでは 信号のアドレスおよびコマンドの信号グループは 2T 信号であり 信号が 2 つのメモリ クロック サイクルごとにしか変更しません 信号も SDR であるのでハーフ レートの PHY デザインでは アドレスおよびコマンド信号は最大周波数のデータ レートの 0.25 倍で動作します 例えば 400 MHz のハーフ レートのデザインでは アドレスおよびコマンドの最大周波数は 100 MHz になります 信号のコントロール グループ ( チップ セレクト CS# クロック イネーブル CKE および ODT) は フル レートまたはハーフ レートのデザイン実装するかどうかに関係なく 常に 1T です 信号も SDR であるので コントロール グループ信号は最大周波数のデータ レートの 0.5 倍で動作します 例えば 400 MHz デザインでは コントロール グループの最大周波数は 200 MHz になります 特定のフォーム ファクタに応じて クロック信号のロードが過渡でないことを確認するために DDR2 SDRAM DIMM は 2 つまたは 3 つの差動クロック ペアがあります クロック信号は常に DIMM 上で終端されており そのため 終端は PCB 上にする必要はありません さらに 各 DIMM スロットには クロック信号の独自の専用セットが必要です したがって クロック信号は常に FPGA PHY から個々の DIMM スロットにポイント ツー ポイントです 個々のメモリ クロック信号は 2 つの DIMM スロット間で共有されることはありません 標準的な 2 つのスロット DDR2 DIMM デザインは 6 つの差動メモリ クロック ペアを持っています 最初の DIMM には 3 つ 第 2 番目の DIMM には 3 つ すべての 6 つのメモリ クロック ペアは CLK# 信号に各 CLK は ±25 ミル (±0.635mm) と ±10 ミル (±0.254 mm) にお互いに一致した遅延がなければなりません クロックの slew rate を向上させるために DIMM コネクタ前に直接に各クロック ペア間の補償コンデンサを配置することができます FPGA デバイスは完全にプログラマブルなドライブ強度と slew rate のオプションがあるため 通常 このコンデンサは FPGA のデザインには必要ありません ただし アルテラは このコンデンサが必要されているかどうかを確認するために 特定の実装をシミュレートすることを推奨します 通常 適合された場合 最高値は 5pF です

22 この項では 最大 400 MHz と 800 Mbps のデータ レートで動作する バッファなしのデュアル スロート DDR3 SDRAM インタフェースのシステム実装について説明します 図 5 20 に デュアル DIMM インタフェース構成の標準的な DQS DQ および DM とアドレスおよびコマンドの信号トポロジーを示します それは Stratix III および Stratix IV デバイスで使用可能なダイナミック OCT 機能と組合わせて DDR3 SDRAM コンポーネントの ODT 機能を使用します DDR3 SDRAM DIMMs FPGA () Slot 1 Slot 2 Board Trace A Board Trace B 図 5 20 では 次のポイントを観察します ボード トレース A = 1.9 ~ 4.5 インチ (48 ~ 115 mm) ボード トレース B = インチ ( mm) DIMM の両方にこのトポロジーは DQS DQ および DM とアドレスおよびコマンド信号には正確です このトポロジーは 常にポイント ツー ポイントのシングル ランクで CLK と CLK# およびコントロール グループ信号 (CS# CKE および ODT) には正しくありません DDR3 および DDR2 SDRAM システムは非常によく似ています 信号のデータ グループの物理トポロジーはほぼ同じと考えられることができます FPGA エンド ( ドライバ ) の I/O 規格は DDR2 の SSTL18 から DDR3 の SSTL15 に変更します しかし 他のすべての OCT の設定は同じです DDR3 は メモリのラインの終わりに終端とドライブ強度設定のために高度な ODT オプションを提供します f 詳細については DDR2 および DDR3 SDRAM のボード デザイン ガイドライン の章の読み出し表の DDR3 SDRAM ODT マトリックスと書き込み表の DDR3 SDRAM ODT マトリックスを参照してください

23 DDR3 と DDR2 DIMM ベースのインターフェイス間で 1 つの大きな違いは アドレス コマンドおよびクロック信号です JEDEC 標準モジュールを使用する場合 DDR3 はデイジー チェイン接続されたベースのアーキテクチャを使用します アドレス コマンド およびクロック信号は デイジー チェイン内の各モジュールにルーティングされ モジュール上のフライバイ終端を特長とします インピーダンス マッチングは 効果的にデュアル DIMM トポロジーを動作させるために必要となります 40 ~ 50 W のトレースは メイン ボード上でターゲットとする必要があります 2 つの UDIMM は アドレスおよびコマンド信号に 2 倍効果的なロードが生じます これは slew rate を低減し セットアップおよびホールド タイミング (t IS および t IH ) を満たすのが困難になります ただし アドレスおよびコマンド信号は SDR であり 半分のインタフェース レートで動作します したがって 400 Mbps のデータ レートは 100 MHz のアドレスおよびコマンドの基本周波数に相当します シングル ランクには コントロール グループ信号のチップ セレクト CS# クロック イネーブル CKE および ODT しかありません デュアル ランク対応の DDR3 DIMM スロットは各信号に 2 つのコピーを持っており デュアル DIMM スロットのインタフェースは各信号に 4 つのコピーを持っています したがって これらの信号の信号品質は シングル ランクのケースと同じです 信号のコントロール グループは フル レートまたはハーフ レート デザインを実装するかどうかに関係なく 常に 1T です 信号も SDR であるので コントロール グループ信号は 最大周波数のデータ レートの 0.5 倍で動作します 例えば 400 MHz のデザインでは コントロール グループの最大周波数は 200 MHz になります コントロール グループ信号と同様に DDR3 SDRAM のクロック信号は唯一のロードされたシングル ランクしかありません デュアル ランク対応の DDR3 DIMM スロットは信号の 2 つのコピーを持っており デュアル スロットのインタフェースは mem_clk および mem_clk_n 信号の 4 つのコピーを持っています f DDR3 2-DIMM システムのデザインについては Micron TN-41-08: DDR3 Design Guide for Two-DIMM Systems を参照してください 1 アルテラの DDR3 ALTMEMPHY メガファンクションは この Micron テクニカル ノートで参照される 1T アドレスおよびコマンド トポロジーをサポートしていません 2T 実装のみがサポートされます

24 Ω Ω 図 5 21 に シミュレーションとメモリ上の信号のボードの測定値を示します この終端方法では FPGA がメモリへ書き込みを行う際に メモリ上の 75 Ω の ODT 設定を使っています FPGA 側では 25 Ω の OCT ドライブ強度を設定します 表 5 11 に シミュレーションと DDR2 SDRAM 上の信号のボード測定値との比較をまとめます メモリ インタフェースはデュアル DIMM のスロット 1 にのみ実装し 異なる ODT 設定を使用します Ω シミュレーション NA NA 測定値 NA NA Ω シミュレーション NA 測定値

25 Ω Ω 図 5 22 に シミュレーションとメモリ上の信号の測定値を示します この終端方式では FPGA がメモリへ書き込みを行う際に メモリ上の 75 Ω の ODT 設定を使っています FPGA 側では 25 Ω の OCT ドライブ強度を設定します 表 5 12 に シミュレーションとメモリ上の信号のボード測定値との比較をまとめます メモリ インタフェースはスロット 1 またはスロット 2 に実装したデュアル DIMM を使用します ダブル並列終端ではメモリ側直列抵抗と組み合わせて 75 Ω の ODT 設定を使用します FPGA 上の OCT 強度設定は 25 Ω です Ω シミュレーション NA NA 測定値 NA NA Ω シミュレーション 測定値

26 Ω Ω 図 5 23 に HyperLynx シミュレーションとダブル並列終端を行ったスロット 1 のメモリ上の信号のボード測定値を示します この終端方法では FPGA がメモリへ書き込みを行う際に メモリ側の直列抵抗伝送線と組み合わせてスロット 2 のメモリ上の 150 Ω ODT を使っています FPGA 側では 25 Ω の OCT ドライブ強度を設定します 表 5 13 に シミュレーションとスロット 1 のメモリ上の信号のボード測定値との比較をまとめます メモリ インタフェースは両スロットに実装したデュアル DIMM を使用します ダブル並列終端ではメモリ側直列抵抗と組み合わせてスロット 2 の異なる ODT 設定を使用します FPGA 上の OCT 強度設定は 25 Ω です Ω シミュレーション NA 測定値 Ω シミュレーション NA 測定値

27 Ω Ω 図 5 24 に HyperLynx シミュレーションとダブル並列終端を行ったスロット 2 のメモリ上の信号のボード測定値を示します この終端方法では FPGA がメモリへ書き込みを行う際に メモリ側の直列抵抗伝送線と組み合わせてスロット 1 のメモリ上の 150 Ω の ODT 設定を使っています FPGA 側では 25 Ω の OCT ドライブ強度を設定します 表 5 14 に シミュレーションとメモリ上の信号のボード測定値との比較をまとめます メモリ インタフェースは両スロットに実装したデュアル DIMM を使用します ダブル並列終端ではメモリ側直列抵抗と組み合わせてスロット 1 の異なる ODT 設定を使用します FPGA 上の OCT 強度設定は 25 Ω です Ω シミュレーション 測定値 Ω シミュレーション 測定値

28 図 5 25 に HyperLynx シミュレーションと FPGA 上の信号のボード測定結果を示します この FPGA では FPGA 側の外部並列抵抗とメモリ側直列抵抗 さらに 150 Ω の ODT 設定を組み合わせて使うダブル並列終端を使用し メモリではフル ドライブ強度を設定します (1) シミュレーションと測定で使用した縦軸スケールは 200 mv/div に設定 表 5 15 に シミュレーションと FPGA 上の信号のボード測定値との比較をまとめます 両スロットに実装したデュアル DIMM メモリ インタフェースを使います スロット 2 に異なる ODT 設定を使用します Ω シミュレーション NA NA 測定値 NA NA Ω シミュレーション NA NA 測定値 NA NA

29 Ω Ω 図 5 26 に HyperLynx シミュレーションと FPGA 上の信号のボード測定結果を示します この FPGA では FPGA 側の外部並列抵抗とメモリ側直列抵抗 さらに 150 Ω の ODT 設定を組み合わせて使うダブル並列終端を使用し メモリではフル ドライブ強度を設定します (1) シミュレーションと測定で使用した縦軸スケールは 200 mv/div に設定 表 5 16 に シミュレーションと FPGA 上の信号のボード測定値との比較をまとめます 両スロットに実装したデュアル DIMM メモリ インタフェースを使います スロット 1 に異なる ODT 設定を使用します Ω シミュレーション NA NA 測定値 NA NA Ω シミュレーション NA NA 測定値 NA NA

30 多くの FPGA デバイスは OCT を提供します 選択したデバイス ファミリに応じてシリーズ ( 出力 ) パラレル ( 入力 ) または動的 ( 双方向 )OCT がサポートされる可能性があります f デバイス ファミリに固有の詳細については 関連するデバイス ハンドブックのそれぞれの I/O 機能の章を参照してください 一般的に Class I または Class 終端方式の両方で使用される近端の直列ターミネータの代わりに直列 OCT を使用します DDR2 と DDR3 両方のタイプ インタフェースはこの終端方式を使用します 一般的にインタフェースのみの単方向入力で Class I 終端方式で使用される遠端並列終端の代わりに並列 OCT を使用します 例えば FPGA が遠端にある時に QDR-II タイプのインタフェースになります 回線の FPGA の最後に直列終端および並列終端の両方の代わりに ダイナミック OCT を使用します 一般的には DDR2 と DDR3 両方のタイプ インタフェースで DQ 信号と DQS 信号のために ダイナミック OCT を使用します 並列終端が動的に書き込み中に無効にされるため FPGA のドライバはこれまで Class I の伝送ラインに駆動します メモリ上にダイナミック ODT と組み合わせると 真にダイナミック Class I 終端方式が存在します ここで 読み出しと書き込みの両方は常に各方向で完全な Class I 終端です したがって 静的な離散的に終端 Class II のトポロジーの代わりに完全に動的な双方向の Class I 終端方式を使用することができます これによって 電源 プリント回路基板 (PCB) 不動産 およびコンポーネントのコスト節約することができます Arria V Cyclone V Stratix III Stratix IV および Stratix V デバイスは 完全なダイナミック OCT 終端機能を備えます アルテラは PCB レイアウトを簡素化し 電力を節約するために SDRAM ODT と組み合わせてこの機能を使用することを推奨します Arria II GX デバイスは ダイナミック OCT をサポートしません アルテラは SDRAM ODT と共に直列 OCT を使用することを推奨します 必要場合 回線の FPGA の最後には並列ディスクリート終端を使用します f 詳細は DDR2 および DDR3 SDRAM のボード デザイン ガイドライン の章を参照してください

31 表 5 17 に 本資料の改訂履歴を示します 2011 年 11 月 4.0 Arria V および Cyclone V の情報を追加 2011 年 6 月 3.0 Stratix V の情報を追加 2010 年 12 月 2.1 メンテナンスの更新 2010 年 7 月 2.0 Arria II GX の情報の追加 2010 年 4 月 1.0 初版

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