海思HI3531DV200 核心板上主要芯片 #1
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作为硬件工程师，我们通常收到需求是：该产品内存配置为DDR4，容量8Gb（1GB=8Gb）。 而我们通常需要把这个“简陋”的需求，转化为具体的电路，该如何去实现呢？ 其实，很简单。DDR4的硬件设计过程可以总结为：为某个平台搭配一颗DDR内存颗粒，并保证平台与DDR内存颗粒均能正常工作。 所以可以分为2部分，如何为平台选型1颗DDR内存颗粒？如何保证DDR相关电路能正常工作？ DDR内存颗粒选型目前很多芯片都会把CPU与外围控制电路（例如：FLASH控制电路，DDR控制电路，USB控制电路）集成到1颗芯片中，像高通MDM8909，类似这样的芯片，我们称为“平台芯片”。平台芯片中DDR控制电路，我们称为“DDR Controller”，翻译过来为：DDR控制器。 为DDR控制器搭配它能控制的DDR内存颗粒，你就必须先了解下：DDR控制器需要什么样的内存颗粒？ 硬件设计第一步：查阅平台芯片规格书中，关于DDR控制器部分的描述。 It has 16/32 bits DDR3L/4 up to 2400 MT/s, parallel NAND, serial NOR interfaces. 所以我们了解到了： 该平台芯片，支持DDR3L或者DDR4内存颗粒，数据位宽为16位或者32位，最高数据传输速度为2400MT/s，即频率为1200MHz（DDR是双边沿数据传输，1个时钟周期传输2次数据，1s传输了2400M次，即意味着1s时钟变化了1200次，即频率为1200MHz）。 结合产品需求：容量8Gb，那我们基本可以锁定DDR的详细规格了。 在正式选型之前，还要引入1个概念“RANK”。我们知道，DDR即支持多个内存颗粒扩展容量，又支持多个内存颗粒扩展数据位宽。 例如，我们的DDR控制器支持32位数据位宽，那我们可以用8个4位DDR，或者4个8位DDR，或者2个16位DDR，或者1个32位DDR进行数据位扩展。假如我们用8个4位DDR颗粒进行设计，我们的RANK数量就是8，我们戏称为“8-RANK设计”，当然实际生活中，我们肯定不会这么蠢，拿8个4位DDR去扩展32位。 所以，再确定我们的RANK数量后，需求被锁定了。 容量设定为8Gb，类型为DDR4，数据宽度为32位，最高频率为1200MHz。由于目前大部分DDR内存颗粒最高支持16位数据宽度，所以RANK数量为2，即我们说的Dual-RANK设计。 根据这个需求，可以在DDR官网上去寻找合适的“DDR芯片”了。例如在镁光官网产品页，选定DRR4-SDRAM，选定8Gb，DDR4。 网页会为你推荐很多型号。像数据位宽是8位的，可以直接跳过。 数据位宽为16位，频率为1200Mhz（2400MT/s）的，仍然有很多。这时候就是考验硬件工程师职业素养的时候了，我们不仅要考虑硬件性能，还要考虑下物料成本，物料采购周期。考虑成本，就尽量不要有“过设计”的地方，所以速率为3200MT/s的器件排除掉。如果我们是消费类商规产品，所以温度范围选择较窄的商业级器件，其次，为了增进你和采购的感情， 千万不要选择停产的物料。 千万不要选择停产的物料。 千万不要选择停产的物料。 这样下来，我们选型基本就锁定到MT40A512M16JY-083E了，用量为2片。 此时，开始阅览器件规格书，了解电气性能，设计外围电路，让DDR控制器和DDR内存颗粒都欢快的运行起来。 DDR的硬件电路搭建设计逻辑器件电路，就要有逻辑思维，最简单的逻辑思维，就是分组。所以，先了解DDR控制器的硬件接口。控制器硬件PIN脚可以分为电源组，配置组，控制组，时钟组，地址组，数据组。 电源组和配置组接口如下，供电，接电阻就可以完成，1.2V的供电，尽可能要平稳，此处忽略。ZQ电阻是用来校准ODT阻抗的，我们后面会讲到。 控制组接口如下。 分好组后，就要根据DDR的工作原理来进行外围硬件设计了。 控制信号中，需要注意CS0和CS1，2个片选信号的可以用来进行，多RANK内存容量扩展的，说明DDR控制器，最多支持2组RANK。每组RANK分配单独的片选信号。我们此处设计2个16位芯片组成1个RANK，即CS0要同时接在目前选的2个DDR颗粒的CS上，组成菊花链。其余控制信号一般无时序要求，能传递逻辑即可。 地址信号通常要参考时钟信号，来进行寻址，所以地址信号要严格与时钟信号保持长度一致，来保证所有地址位在采样的时候同时到达。因为同一块单板上，每根线上电子的传递速度是一样的，所以信号线长度约长，信号越晚到达，信号线长度越短，信号越早到达，地址采样的时候，是有时间期限的，所以，所有的地址信号必须保证在采样时间范围内，全部到达，因此要求地址线相对时钟线进行长度控制。前面一节我们讲了内存寻址原理，先用BG信号选择BANK GROUP，再用BA信号进行BANK选择，再用A[0:16]进行行列选择，再用A[0:16]进行列选择，完成寻址。可以看到，Address信号在进行行选择和列选择时，BG和BA信号都是保持的，所以BG信号和BA信号的等长要求会相对略宽。 DDR控制器有2根BG信号，2根BA信号，17根Address信号，同一个RANK有2个DDR颗粒，每个DDR颗粒有1根BG信号，2根BA信号，17根Address信号，前面CS0同时连接了2个DDR颗粒的片选，所以寻址时两颗DDR会被同时片选，那么DDR控制器如何区分开寻址其中1颗DDR颗粒呢？硬件又该怎么连接？其实很简单，根据上节讲的内存寻址原理，我们知道每个DDR颗粒有2个BANK GROUP（1根BG信号），4个BANK（2根BA信号），与CS扩展容量的原理一致，我们把BG0接在DDR颗粒1上，BG0拉高拉低，我们可以寻址CHIP1的8个BANK。BG1接在DDR颗粒2上，BG1拉高拉低，我们可以寻址CHIP1的8个BANK。BA、ADDR进行菊花链连接，同时接在2颗DDR芯片上。 接下来，我们看看数据信号的链接，数据信号是内部分组的，由于DDR数据信号传输的时候双边沿数据传输，而且如果所有信号都参考时钟去做等长，会导致等长控制非常困难，增加DDR的设计难度，所以聪明的人类想出了另外一招，额外增加数据选通信号来作为数据信号的采样时钟，每8位信号，参考一组差分。所以我们很轻易可以看出DDR控制器有4组DQS差分信号，32根数据信号。我们的RANK中有2个DDR颗粒，每个颗粒有2组DQS差分信号，16根数据信号。所以 控制器的DQS[0:1]连接DDR CHIP0的DQS[0:1], 控制器的DQ[0:15]连接DDR CHIP0的DQ[0:15]。 控制器的DQS[2:3]连接DDR CHIP1的DQS[0:1], 控制器的DQ[16:31]连接DDR CHIP1的DQ[0:15]。 至此所有信号连接完成。 接下来是阻抗匹配，地址信号都需要外部加49欧姆匹配电阻到电源或者GND，数据信号，则不需要。因为DDR内部集成ODT功能，只需要通过配置，即可完成每组数据线的阻抗匹配。 本节，我们讲解了DDR的硬件设计过程，下一节我们重点讲解DDR的调试关注点以及基于Hyperlynx的信号完整性分析。 |
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以太网PHY |
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DDR4实战教学（一）：DDR4寻址原理 看上去很牛逼，那DDR4到底是个啥玩意儿？怎么工作的？硬件设计中都涉及哪些参数？在本系列博文中，我们将为大家娓娓道来。 本文简要探讨DDR4到底是什么，以及简述DDR4的工作原理。 DDR4是什么？ DDR4全称，DDR4-DRAM，与其他DDR系列DRAM一样，是当前电子系统架构中使用最为广泛的的RAM存储器。 这句话可以分解出3个关键字：存储器、DRAM、DDR4。 先说存储器，说到存储，顾名思义，它是个动词，以生活为例，假如有个酸奶，你不想吃的时候，将酸奶存到某冰箱、某层、某个位置，当你想吃的时候，在某冰箱、某曾、某个位置中取出该酸奶。 这个过程，我们称为存储，结合生活，我们可以看到存储要有3个关键动作：
所以，概括一下，存储器就是“可以寻址”、“能读写数据”、“能保存数据”的一种电子器件。 我们再说说DRAM。DRAM全称Dynamic Random Access Memory，翻译过来为动态随机读取存储器。所谓随机，指的是“想存哪个位置，就存哪个位置”，听起来很自由，很灵活。所谓动态，指的是保存数据过程中，需要不断的补充电量，听起来很耗电，很费劲，为啥我们还要用DRAM结构？因为在电路结构上，DRAM结构比SRAM简单很多。 最后说说DDR。我们聊到DDR，大家都会联想到存储器，但是实际上DDR并不指代存储器，DDR实际是一种技术，全称Double Data Rate，翻译过来为双倍速率，只是这都技术广泛使用在DRAM上，所以人们习惯将DDR代指为存储器，所以宝宝们在后续的硬件设计过程中，在其他总线上看到DDR，请不要惊慌，因为你看到的DDR可能不一定和存储有关。那双倍速率指的是什么？我们可以简要说下，初代存储器在读写数据时，每次都在时钟信号从低变高或从高变低时，采样数据，在1个时钟周期，只能采样1个数。后续聪明的人类在时钟从低到高时，采样一个数据，时钟从高到低时，再采样1个数据，一个时钟周期，可以采样2个数据。所以读写速度比以前快了2倍。这种技术手段，就指的是DDR。如果看不懂“时钟”和“采样”这段话的，那…… 所以，概括下：DDR4-DRAM是第四代支持双数据读取，支持随机位置存取的静态存储器。 DDR4-DRAM的工作原理 一颗DDR4芯片的内部功能框图如下： 其引脚按照功能可以分为7类：前3类为电源、地、配置。 后4类为：控制信号、时钟信号、地址信号、数据信号 电源、地、配置信号的功能很简单，在此不赘述。控制信号主要是用来完成DDR4与DDR4 Controller之间的状态切换。 DDR4中最重要的信号就是地址信号和数据信号。 如上DDR4芯片有20根地址线（17根Address、2根BA、1根BG），16根数据线。在搞清楚这些信号线的作用以及地址信号为何还有复用功能之前，我们先抛出1个问题。假如我们用20根地址线，16根数据线，设计一款DDR，我们能设计出的DDR寻址容量有多大？ 按照课本中学到的最简单的单线8421编码寻址的方式，我们知道20根地址线（连读写控制信号都不考虑了）的寻址空间为2^20，16根数据线可以1次传输16位数据，我们能很容易计算出，如果按照单线8421编码寻址方式，DDR芯片的最大存储容量为： Size（max）=(2^20)16=104857616=16777216bit=2097152B=2048KB=2MB。 但是事实上，该DDR最大容量可以做到1GB，比传统的单线编码寻址容量大了整整512倍，它是如何做到的呢？答案很简单，分时复用。 我们把DDR存储空间可以设计成如下样式： 首先将存储空间分成两个大块，分别为BANK GROUP0和BANK GROUP1，再用1根地址线（还剩19根），命名为BG，进行编码。若BG拉高选择BANK GROUP0，拉低选择BANK GROUP1。（当然你也可以划分成4个大块，用2根线进行编码） 再将1个BANK GROUP区域分成4个BANK小区域，分别命名为BANK0、BANK1、BANK2、BANK3。然后我们挑出2根地址线（还剩余17根）命名为BA0和BA1，为4个小BANK进行地址编码。 此时，我们将DDR内存颗粒划分成了2个BANK GROUP，每个BANK GROUP又分成了4个BANK，共8个BANK区域，分配了3根地址线，分别命名为BG0，BA0，BA1。然后我们还剩余17根信号线，每个BANK又该怎么设计呢？这时候，就要用到分时复用的设计理念了。 剩下的17根线，第一次用来表示行地址，第二次用来表示列地址。 原本传输1次地址，就传输1次数据，寻址范围最多16KB（不要读写信号）。 现在修改为传输2次地址，在传输1次数据，寻址范围最多被扩展为2GB。虽然数据传输速度降低了一半，但是存储空间被扩展了很多倍。这就是改善空间。 所以，剩下的17根地址线，留1根用来表示传输地址是否为行地址。 在第1次传输时，行地址选择使能，剩下16根地址线，可以表示行地址范围，可以轻松算出行地址范围为2^16=65536个=64K个。 在第2次传输时，行地址选择禁用，剩下16根地址线，留10根列地址线表示列地址范围，可以轻松表示的列地址范围为2^10=1024个=1K个，剩下6根用来表示读写状态/刷新状态/行使能、等等复用功能。 这样，我们可以把1个BANK划分成67108864个=64M个地址编号。如下所示： 在每个地址空间中，我们16根数据线全部用起来，一次存储16位数据。 所以1个BANK可以分成65536行，每行1024列，每个存储单元16bit。 每行可以存储1024*16bit=2048bit=2Kb。每行的存储的容量，称为Page Size。 单个BANK共65536行，所以每个BANK存储容量为65536*2KB=128MB。 单个BANK GROUP共4个BANK，每个BANK GROUP存储容量为512MB。 单个DDR4芯片有2个BANK GROUP，故单个DDR4芯片的存储容量为1024MB=1GB。 至此，20根地址线和16根数据线全部分配完成，我们用正向设计的思维方式，为大家讲解了DDR4的存储原理以及接口定义和寻址方式。 在下一节，我们将为大家讲解DDR4的详细工作原理和硬件设计步骤，以及调试时需要注意的参数，以及DDR4的SI仿真。 |
主要参数
4*DDR4 8G 2133
8GB EMMC
2GB NANDFLASH
双千兆网口
PCB工艺
线宽 4mil
扇出通孔 via 8/16 即 0.2mm/0.4mm
电源通孔 via 10/20 即0.25mm/0.5mm
核心板上主要芯片
SOC
Hi3531DV200
A53四核 1.15GHZ
封装：珠间距0.8mm!!!
焊盘 直径0.4mm
Hi3531DV200 芯片采用EHS-TFBGA 封装，封装尺寸为31.2mm x 22.4mm，管脚间距
为0.8mm，管脚总数为791 个。
DDR
SAMSUNG
4A8G165WC-BCRC
https://atta.szlcsc.com/upload/public/pdf/source/20210520/C2834754_65F6FB54A91BE8F8AA4F9922A8DA9F4E.pdf
JEDEC standard 1.2V (1.14V~1.26V)
EMMC
SAMSUNG
KLM8G1GETF-B041
https://atta.szlcsc.com/upload/public/pdf/source/20200730/C499918_BA626D9A4952A33A6B491C88DA3C2D72.pdf
NANDFLASH
MXIC(旺宏电子)
MX35LF2G14AC-Z4I
https://atta.szlcsc.com/upload/public/pdf/source/20210810/9C706514DCEB03A38D5FE8709BFD247E.pdf
以太网
RTL8211F
https://datasheet.lcsc.com/lcsc/1912111437_Realtek-Semicon-RTL8211F-CG_C187932.pdf
主板上工作电压
内核电压 0.9V
CPU电压 1.0V
IO电压 1.8V/3.3V
DDR4 1.2V
DDR3 1.3V
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