使用VIVADO中的MIG控制DDR3（AXI接口）三——DDR3简介_mig ddr

        在读写DDR3之前，需要了解DDR3的相关知识，而如果一开始就直接看DDR3的话，我们极有可能会感觉到一头雾水，不知道从哪下手，接下来，我们便从SDRAM一步步到DDR3，分步去学习相关的知识。

 

1 SDRAM简介

        从某种意义上来讲，SDRAM是现在内存的最初代产品，现在的DDR4包括DDR5都起源于它。SDRAM（Synchronous Dynamic Access Memory），是同步动态随机存储器。同步是指其时钟频率与CPU前端总线的系统时钟频率相同，并且内部的命令的发送与数据的传输都是以它为基准；动态是指存储阵列需要不断地刷新来保证数据不丢失：随机是指数据不是线性依次存储，而是自由地指定地址进行数据的读写。

1.1 物理Bank

        传统内存系统为了保证CPU的正常工作，必须一次传输完CPU在一个传输周期内所需要的数据。而CPU在一个传输周期能接收的数据容量就是CPU数据总线的位宽。单位是bit。当时控制内存与CPU之间数据交换的北桥芯片也因此将内存总线的数据位宽等同于CPU数据总线的位宽，而这个位宽就称之为物理Bank(Physical Bank)的位宽。简单理解就是物理Bank与CPU位宽一致。

1.2 芯片位宽

        芯片位宽是指每一片SDRAM缓存芯片本身的位宽。

        这里举一个例子来进行理解：假设CPU的位宽为64bits，那么SDRAM的物理Bank位宽就为64bits，假设现在芯片位宽为16bits，那么SDRAM与CPU之间该如何交互呢？我们需要4片SDRAM连接起来与CPU交互。

1.3 SDRAM基本架构

1.3.1 逻辑Bank

        逻辑Bank(Logic Bank,简称L-Bank)是SDRAM内存存储空间划分的片区。

        我们可以把L-Bank理解成一个方格矩阵，每一个小格都是一个存储单元。假设芯片位宽为16bits，那么每一个小的单元都可以存储16bits的数据。在对SDRAM进行读写时，我们通过RAS(行选中信号)和CAS（列选中信号）来选择不同的ROW(行)和Column（列）地址。

1.3.2 存储原理示意图

        这个图是一个简单的示意图，并不能当做是内部实际电路。我们在对内存单元进行读写时，要先将对应的Bank和行选中并激活，然后在给出读写命令的同时给出列地址，激活列地址，然后对存储单元进行访问。我们知道，内存单元的数据是通过电容的的充放电来存储的，写数据给电容充电，读数据使电容放电。刷新放大器的作用十分关键，在我们写数据时，刷新放大器起到了对内存单元预充电的作用，这样我们就可以得到较为标准的高低电平，而在数据存储的时间内，因为电容会有漏电流，所以时间长了它可能会处于亚稳态，那么刷新放大器就可以对单元进行刷新，当存储数据为1时，给电容充电，使它维持标准的1；当存储数据为0时，它使内存单元的电荷放的更干净，维持稳定的0。另外，在从I/O口读取数据时，因为存储电容存储的电荷量十分有限，所以我们需要通过刷新放大器，将这个电容放大到足够我们观察的数值再读取出来。

1.3.3 SDRAM基本结构  

         如图所示，CLK和CKE是一对差分时钟，CS#,WE#,CAS#,RAS#是控制信号，用来配置模式寄存器，左下角的地址线用来传输相应的地址，分别有Bank地址，行地址和列地址，中间的那一大块的作用就是选中对应的行和列，Bank存储阵列的规格是32M*4bit，代表了四片芯片位宽为4bit的Bank，所以它的物理Bank位宽就是4*4=16bits。右边的数据输入/输出寄存器与I/O连接，进行数据传输。DQM为掩码信号，他与频闪信号类似，就是选择将某些数据位屏蔽。需要注意的是，在写数据时，利用DQM信号将对应数据屏蔽后，数据就不会写进内存里；但是在读数据阶段，使用DQM将数据屏蔽，数据依然会从内存中读出来，不过在数据输出寄存器处理阶段，不会将被屏蔽的数据输送到I/O口。

1.4 SDRAM的操作时序

1.4.1 引脚示意图

        A0~A11是12位地址总线，行、列地址共用；BA0,BA1为BANK地址；DQ0~31是32位数据引脚；DQ0~3为数据屏蔽线；clk是时钟信号，cke是是使能信号；NC代表不连接。WE#,CAS#,RAS#,CS#是命令总线，WE#是读写控制位，0代表写，1代表读；RAS#为行选中信号，CAS#为列选中信号，CS#为片选信号。

1.4.2 指令真值表

        NOP代表不操作，第一种在初始化时会用到，第二种是在空闲时用的。ACTIVE表示选中某一个BANK的某以行，将它激活。READ是给出对应BANK的列地址，并且开始突发读传输。WRITE命令给出对应的BANK的列地址，并开始突发写传输。BURST TERMINATE是指令禁止命令，比如在一次突发传输没有结束的时候，我们想进行其他操作，可以通过此命令。让它强制停止。PRECHARGE是预充电的意思，在进行数据读写操作前，必须给BANK中的行进行预充电。AUTO REFRESH和 SELF REFRESH分别是自动刷新和手动刷新的意思，自动刷新是指刷新放大器会按照一个周期刷新内存单元，而手动刷新则不同，如果没有设置为自动刷新，那么我们在每次读写内存单元前，都必须给对应的BANK中的对应ROW（行）先进行一次手动刷新，然后才能执行读写命令。

 1.4.3 SDRAM操作时序图

        激活命令，激活某一BANK的某一行。

         写命令，在对此内存单元进行刷新之后，给出BANK地址和列地址，便可以根据命令进行读写操作。读操作时许与之相似，要注意的是，行和列地址公用一组信号线。写命令在执行时没有延时，而读命令因为需要刷新放大处理的原因，数据可能会延迟一段时间才能读出。

         预充电时序，可以根据A10来选择是否自动预充电。BA0,1用来选择对哪一个BANK进行预充电。

         SDRAM初始化时序，在图中对应时刻给相应的命令，就可以完成初始化操作，主要是进行预充电和模式寄存器的配置，图中的时间都是一些延时，具体数值可以在内存手册上查看。

         具体的读写时序图逻辑都差不多，有突发读和写，还有随机读和写模式这里以突发读传输为例，在对相应的行进行预充电之后，同时给出读命令和相应的列地址，在经过CL的延时之后，便可以在DQ信号上得到数据，图中分别展示了CL=2和CL=3的情形。

 2 从SDRAM到DDR SDRAM

        DDR  SDRAM全称为Double Data Rate SDRAM,也就是双倍速率SDRAM实在SDRAM的基础上改进得到的。

2.1 DDR SDRAM基本结构

         我们不难看出，图中的左半部分和SDRAM的结构是一样的，不同的地方在右半部分，也就是将DQ0~3的四位数据与i/o的8位数据交互，逻辑主要是通过MUX复用器和输入寄存器来实现将8位数据变为2个4位数据和将2个4位数据合并为8位数据，那么关键问题就是怎样在DDR进行一次8位数据操作的同时，用户接口操作两次4位数据？我们之前都是在时钟的上升沿进行操作，在DDR中，我们同时在时钟的上升沿和下降沿采样，这样就达到了双倍速率，而一般都是通过一对差分时钟来实现的。

2.2 DDR操作时序

         从图中可以看到，DDR SDRAM的操作时序和SDRAM的操作时序没有太大变化，只不过时钟变成了一对差分时钟，在CK的时钟沿和CK#的时钟沿的交叉处进行时序操作，这样就可以达到双倍的工作速率，DQS信号可以理解为一个数据选通信号，它的一次变化的同时会发生一次数据的更新。因为差分时钟速率加倍的缘故，这里的CL也可以不为整数只要四0.5的倍速就可以。

3 DDR2 SDRAM

3.1 DDR2的基本结构

        

         与DDR的双倍传输不同的是，DDR2实现了4倍传输，它的实现逻辑和DDR差不多，也是利用复用器和输入寄存器，将数据进行合并、拆分，但是DDR2的位宽变成了DQ0~DQ15的四倍，这里DDR2可以说是属于偷换概念，和DDR一样，它也是双沿传输，但是剩下的2倍它是通过时钟频率加倍来实现的，也就是说，端口的时钟是DDR2内部时钟的2倍。

3.2 片外驱动调校（OCD，Off-chip Driver）

        DDR2内存在开机时也会有初始化过程，同时在EMRS中加入了新的设置选项，没有太大变化。在EMRS阶段，DDR2加入了可选的OCD功能OCD的主要作用就是调整I/O接口端的电压，来补偿上拉与下拉电阻值，目的是让DQS与DQ数据信号之间的偏差降低到最小。调校期间，分别测试DQS高电平/DQ高电平，与DQS低电平/DQ低电平时的同步情况，如果不满足要求，则通过设定突发长度的地址线来传送上拉/下拉电阻等级（加一档或减一档），直到测试合格才退出OCD操作。

        下图是别人画的一个OCD示意图，可以对照理解。OCD的作用在于调整DS与DQ之间的同步，以确保信号的完整与可靠性。

 3.3 片内终结（ODT,On-Die Termination）

        所谓的终结，就是让信号被电路的终端吸收掉，而不会在电路上形成反射，造成对后边信号的影响。在DDR时代，控制与数据信号的终结在主板上完成，每块DDR主板在DIMM槽的旁边都会有一个终结电压岛的设计，它主要由一排终结电阻构成。长期以来，这个电压岛一直是DDR主板设计上的一个难点。而ODT的出现，则将这个难点给消灭了。也就是说，ODT就是将终结电阻移植到了芯片内部，而不在主板上单独设计单独电路了。

3.4 前置CAS、附加潜伏期与写入潜伏期

        前置CAS（Posted CAS）是为解决DDR中指令冲突而设计的功能。它允许CAS信号紧随RAS信号发送，相对于以往的DDR等于将CAS前置了。这样，地址线可以立刻空出来，便于后边的行有效命令发出，避免造成命令冲突而被迫延后的情况发生，但读/写操作并没有因此而提前，仍要保证有足够的延时/潜伏期，为此，DDR2引入了附加潜伏期的概念（AL,Additive Latency）,与CL一样，单位为时钟周期数AL+CL被定义为读取潜伏期（RL,Read Latency）,相应的，DDR2还对写入潜伏期（WL,Write Latency）制定了标准，WL是指聪写入命令发出到第一笔数据输入的潜伏期。按照规定，WL=RL-1,即AL+CL-1。

3.5 DDR2时序图

3.5.1 读时序

 3.5.2 写时序

         注意，WL是指写入潜伏期，是指从写入命令发出到第一笔数据输入的潜伏期，不要将它与tDQSS混淆。

4 DDR3 SDRAM

4.1 DDR3新增内容

4.1.1 突发长度（Burst Length,BL）

        由于DDR3的预取为8bit，所以突发传输周期BL也固定为8，而对于DDR2和早期的DDR架构系统，BL=4也是常用的，DDR3为此增加了一个4bitBurst Chop(突发突变)模式，即由一个BL=4的读取操作加上一个BL=4的写入操作合成一个BL=8的数据突发传输，届时可通过地址线来控制这一突发模式。（也就是说，DDR3不支持单独BL=4的突发传输，突发长度BL只能等于8）。而且需要需要指出的是，任何突发中断操作都将在DDR3中予以禁止。且不予支持，取而代之的是更灵活的突发传输控制（如4bit顺序突发）。

4.1.2 寻址时序（Timing）

        就像DDR2从DDR转变而来后延迟周期数增加一样，DDR3的CL周期也将比DDR2有所提高。DDR2的CL范围一般在2~5之间，而DDR3则在5~11之间，且附加延时AL的设计也有所变化。DDR2的AL范围是0~4，而DDR3的AL有三种选项，分别是0、CL-1和CL-2。另外，DDR3还新增加了一个时序参数——写入延时（CWD），这一参数将根据具体的工作频率而定。

4.1.3 新增的重置（Reset）功能

        重置是DDR3新增的一项重要功能，并为此专门准备了一个引脚。DRAM业界很早就要求增加这一功能，如今终于在DDR3上实现了。这一引脚将使DDR3的初始化处理变得简单。当Reset命令有效时，DDR3内存将停止所有操作，并切换至最少量活动状态，以节约电力。

        在Reset期间，DDR3内存将关闭内在的大部分功能，所有数据接收与发送器都将关闭，所有内部的装置将复位，DLL（延迟锁相环路）与时钟电路将停止工作，而且不理睬数据总线上的任何动静。这样一来，将使DDR3到达最节省电力的目地。

4.1.4 DDR3新增ZQ校准功能

        ZQ也是一个新增的引脚，在这个引脚上接有一个240欧姆的低公差参考电阻。这个引脚通过一个命令集，通过片上校准引擎（On-Die Calibration Engine,ODCE）来自动校验数据输出驱动器导通电阻与ODT的终结电阻值。当系统发出这一指令后，将用相应的时钟周期（在加电与初始化之后用512个时钟周期，在退出自动刷新操作后用256个时钟周期、在其他情况下用64个时钟周期）对导通电阻和ODT电阻进行重新校准。

4.1.5 参考电压分成两个

        在DDR3系统中，对于内存系统工作非常重要的参考电压信号VREF将分为两个信号，即为命令与地址信号服务的VREFCA和为数据总线服务的VREFDQ，这将有效的提高系统数据总线的信噪等级。

4.1.6 点对点连接（Point-to-Point,P2P）

        这是为了提高系统性能而进行的重要改动，也是DDR3与DDR2的一个关键区别。在DDR3系统中，一个内存控制器只与一个内存通道打交道，而且这个内存通道只能有一个插槽，因此，内存控制器与DDR3内存模组之间是点对点（P2P）的关系（单物理Bank的模组），或者是点对双点（P22P）的关系（双物理Bank的模组），从而大大地减轻了地址/命令/控制与数据总线的负载。而在内存模组方面，与DDR2的类别相类似，也有表准DIMM（台式PC）、SO-DIMM/Micro-DIMM(笔记本电脑)、FB-DIMM2（服务器）之分，其中第二代FB-DIMM将采用规格更高的AMB2(高级内存缓冲器)。

        面向64位架构的DDR3显然在频率和速度上拥有更多的优势，此外，由于DDR3所采用的根据温度自动自刷新、局部自刷新等其他一些功能，在功耗方面DDR3也要出色许多，因此，他可能首先受到移动设备的欢迎，就像最新迎接DDR2内存的不是台式机而是服务器一样。在CPU外频提升最迅速的PC台式机领域，DDR3未来也是一片光明。Intel所推出的新芯片-熊湖（Bear Lake）,其将支持DDR3规格，而AMD也将预计同时在K9平台上支持DDR2及DDR3两种规格。

4.2 DDR3硬件设计

4.3 DDR3时序

 5 MIG引入

        MIG是Xilinx平台给出的一款内存控制器IP核。虽然DDR3的时序关系非常复杂，但是我们可以通过MIG IP核来控制DDR3，而我们只需要完成MIG的时序控制就行，这样就极大的简化了设计的复杂度，缩小了开发周期。

         图中所示为MIG的基本结构，它分为三个部分，分别是用户接口、内存控制器和物理接口。其中内存控制器和物理接口用来控制DDR3的时序，而我们只需要控制用户接口就可以了。

        图中的MIG IP核的用户接口是Native接口，时序关系也比较简单。就是说，当app_en和app_rdy信号同时为高电平时，app_cmd（命令）和app_addr(地址)才有效，所以当需要app_cmd和app_addr有效时，app_en必须保持到app_rdy为高电平才有效。

         关于Native接口的MIG IP核将讲解与使用方法很多，但我们这次试验主要用AXI接口的MIG IP 核。AXI接口的用户接口的时序其实就是AXI总线协议的时序，前边我们讲过，后边我们就直接来将怎样配置它已经利用它对DDR3进行读写测试。