【fpga】ddr3_fpga ddr3

1、前言

        DDR3 SDRAM 简称 DDR3，是当今较为常见的一种储存器，在计算机及嵌入式产品中得到广泛应用， 特别是应用在涉及到大量数据交互的场合，比如电脑的内存条。DDR3的时序相当复杂，对DDR3 的读写操作大都借助 IP 核来完成。

2、MIG DDR3 IP核的介绍

        MIG(Memory Interface Generators) IP 核是 Xilinx 公司针对 DDR 存储器开发的 IP，里面集成存储器控制模块，实现 DDR 读写操作的 控制流程，下图是 7 系列的 MIG IP 核结构框图。MIG IP 核对外分出了两组接口。左侧是用户接口，就是 用户（FPGA）同 MIG 交互的接口，用户只有充分掌握了这些接口才能操作 MIG。右侧为 DDR 物理芯片 接口，负责产生具体的操作时序，并直接操作芯片管脚。这一侧用户只负责分配正确的管脚，其他不用关心。

        在有了这个IP核后，我们就无需对复杂的DDR3进行操作，只需要根据用户侧的时序逻辑来进行操作即可。

        下面是用户侧的信号接口及说明：

将其中比较常用的与不常用的分开，如下图：

其中的输入/输出是相对于MIG IP核来说的，例如ui_clk就是output给用户侧的用户时钟。

        DDR3 的读或者写都包含写命令操作，其中写操作命令（app_cmd）的值等于 0，读操作 app_cmd 的值 等于 1。首先来看写命令时序，如下图所示。首先检查 app_rdy，为高则表明此时 IP 核命令接收处于准备好 状态，可以接收用户命令，在当前时钟拉高 app_en，同时发送命令（app_cmd）和地址（app_addr），此时命令和地址被写入。

写数据的时序，如下图所示：

写数据的情况有3种：

1. 写命令与写数据发生在同一时钟周期
2. 写数据先于写命令发生（不一定是图上的一个时钟周期，因为数据是先写到了FIFO）发生在同一时钟周期
3. 写数据落后于写命令发生，但不能超过两个时钟周期

结合上图，写时序总结如下：首先需要检查 app_wdf_rdy，该信号为高表明此时 IP 核数据接收处于准备完成状态，可以接收用户发过来的数据，在当前时钟拉高写使能（app_wdf_wren），给出写数据 （app_wdf_data）。这样加上发起的写命令操作就可以成功向 IP 核写数据。

接着来看读数据，如下图所示：

读时序比较简单，发出读命令后，用户只需等待数据有效信号（app_rd_data_valid）拉高，为高表明此 时数据总线上的数据是有效的返回数据。需要注意的是，在发出读命令后，有效读数据要晚若干周期才出现在数据总线上 （延迟的时间不定）。

3、MIG DDR3 IP核的配置

打开 IP Catalog 在搜索栏输入 mig(Memory Interface Generator)，双击直接打开

下图是确认工程信息，主要是芯片信息与编译环境以及目标语言，点击 next

 如下图所示，这一页选择“Create Design”，在“Component Name”一栏设置该 IP 元件的名称，再往下选择控制器数量，默认为“1”即可。AXI4 接口不勾选。配置完成点击“Next”。

 如下图所示，这一页主要是让用户选择可以兼容的芯片，本工程默认不勾选，即不需要兼容其他的 FPGA 芯片。配置完成点击“Next”。

如下图所示，这一页选择第一个选项“DDR3 SDRAM”

 

如下图所示：

        Clock Period：DDR3 芯片运行时钟周期，这里选400M，实际传输频率800M（上下沿双触发）

        PHY to Controller Clock Ratio：一般有 4:1 和 2:1 两个选项，当DDR3 芯片运行频率高于350M时，默认选为4:1

        VCCAUX_IO：这是 FPGA 高性能 bank（High Performance bank）的供电电压。它的 设置取决于 MIG 控制器运行的周期/频率。当用户让控制器工作在最快频率的时候，系统 会默认为 1.8V

Memory Type： DDR3 储存器类型选择。选择 Component。

Memory Part： DDR3 芯片的具体型号，我这里选择选择 MT41J128M16XX-125

Memory Voltage：是 DDR3 芯片的电压选择，选 1.5v。

Data Width：数据位宽选择，这里选择 16。

ECC:ECC 校验使能，数据位宽为 72 位的时候才能使用

Data Mask：数据屏蔽管脚使能。勾选它才会产生屏蔽信号，这里勾上

Number of Bank Machines：Bank Machine 的数量是用来对具体的每个或某几个来单独控制的，选择多了控制效率就会高，相应的占用的资源也多，选择 4 个

ORDERING：该信号用来决定 MIG 控制器是否可以对它收到的指令进行重新排序，选择 Normal 则允 许，Strict 则禁止。本实验选择 Normal，从而获得更高效率。

 如下图所示：

        Input Clock Period：MIG IP 核的系统输入时钟周期，该输入时钟是由 FPGA 内部产生的，MIG内部有一个MMCM资源，用来生成用户时钟及DDR3时钟。这个时钟就是输入个MMCM用的

        Read Burst Type and Length：突发类型选择，突发类型有顺序突发和交叉突发两种，选择顺序 突发（Sequential），其突发长度固定为 8。

        Output Driver Impdance Control：输出阻抗控制。选择 RZQ/7。

        RTT：终结电阻，可进行动态控制。选择 RZQ/4。

        Controller Chip Select Pin：片选管脚引出使能。选择 enable，表示把片选信号 cs#引出来，由外部控制

        BANK_ROW_COLUMN：寻址方式选择。选择第二种，即 BANK-ROW-COLUMN的形式

 如下图所示：

        System Clock：MIG IP 核输入时钟。选择“No Buffer”，因为 IP 核的输入系统 时钟是单端时钟，是由内部的 MMCM 产生的，MMCM 所产生的时钟默认添加了 buffer。

        Reference Clock：MIG IP 核参考时钟。同样选择“No Buffer”，将由时钟模块生成。

        System Reset Polarity：复位有效电平选择。选择“ACTIVE LOW”低电平有效。

        Debug Signals Control：该选项用于控制 MIG IP 核是否把一些调试信号引出来，它会自动添加到 ILA，这些信号包括一些 DDR3 芯片的校准状态信息。选择 “OFF”，不需要让 IP 核生产各种调试信号

        Sample Data Depth：采样深度选择。当“Debug Signals Control”选择“OFF”时，所 有采样深度是不可选的

        Internal Vref：内部参考管脚，表示将某些参考管脚当成普通的输入管脚来用。不勾选

        IO Power Reduction：IO 管脚节省功耗设置。选择“ON”

        XADC Instantiation：XADC补偿使能

 继续点击“NEXT”按钮，界面如下图所示，选择默认阻抗。

  

选择第二个，直接读取DDR3的引脚，这样就不用进行配置了。

选择“Read XDC/UCF”，直接导入管脚分配文件

如下图所示，这里软件默认设置，直接点击“Next”

接下来的都是一些信息确认选项，直接点击“Next”，直到最后点击“Generate”生成IP核

4、官方仿真示例

Vivado关于MIG IP核有自带的仿真示例，右击生成的IP核，选择open IP example design，选择好路径后就会生成一个新的工程mig_7series_0_ex

打开工程mig_7series_0_ex，直接执行仿真（这里可能等几分钟）

仿真结果出来后，只保留一些比较有用的信号，并进行分组，如下：

找init_calib_complete拉高后（DDR3初始化完成）的一些局部时序图，如下图：

        蓝线、和黄线处，app_cmd为0，app_en、app_rdy均为高，代表在执行写命令操作；同时app_wdf_data同地址一致，app_wdf_en、app_wdf_rdy均为高，代表在进行写数据操作

 如下图：

        很多个周期的app_rdy拉低，代表MIG没有准备好进行写数据命令，但此时app_wdf_data同地址一致，app_wdf_en、app_wdf_rdy均为高，代表在进行写数据操作。这正是前面章节提到了写数据提前与写命令，因为MIG种有一个FIFO，将要写入的数据存入FIFO，等到写命令有效时，再对FIFO进行读取。这样做的好处是可以很大程度上做到写命令和写数据分离。

  如下图：

         蓝线处，app_cmd为1，app_en、app_rdy均为高，地址app_addr为0x0000200，代表在执行读命令操作。经过若干个周期后，黄线处读取数据有效标志信号app_rd_data_valid拉高，代表成功读取到了一个数据，数据为0x0000200000020000002000000200，与前面写入的一致