Lattice ddr3教程全攻略之仿真篇_lattice ddr3硬件设计

 对于这部分，首先建议安装好diamond3.1,modelsim se 10.1a这两个软件，如果想仔细分析DDR3的IP部分，可仔细阅读DDR3 SDRAM Controller IP Core User’s Guide，下面用ug代指。官网上可以download，还有DDR3的基本知识，可以到网上download《高手进阶，终极内存技术指南——完整进阶版》，这个文章值得一读。

       Lattice的ddr3控制器接口逻辑还是相对简单，比较好理解的，下面来看看DDR3 IP 的内部结构：

图：DDR3 IP逻辑框图

         Initialization Module：根据JEDEC.的标准，在上电后对DDR3进行初始化配置，配置其相应的寄存器和工作方式等，具体配置的寄存器可以参看ddr3的协议文档，JEDEC规范写的很详细。当初始化配置完成后，该模块会给出一个done信号告诉用户。

         sysCLOCK PLL：用于提供IP工作所需要的时钟，并提供给用户端一个时钟：k_clk。

         Data Path Logic：用于从DDR3读取的数据转换到用户端，写入的数据不经过该模块，写入的数据从Command Application Logic (CAL)模块输入。

         Command Decode Logic (CDL) ：该模块用于译码命令，控制core按照设定的命令正确的访问ddr3芯片。

          DDR3 PHY：用于转换单端的数据转换为差分给到ddr芯片端，和差分转单端输入。

        以上部分有基础了解就行，不需要深究。

图：DDR初始化时序

            当上电后，用户应该将init_start拉高至少200us，直到init_done被拉高一个周期，则将init_start拉低。用户检测到init_done被拉高后就表明芯片初始化完成了，也大概可以确定硬件是OK的。可以进行下一步操作。读和写控制非常简单，ug上说的很清楚，就不一一赘述了。

       做DDR3设计之前当然是先仿真，这个毋庸置疑，那么仿真当然首选Modelsim，在仿真之前，先做好准备工作，那就是先编译好仿真所需要的库文件，编译库文件方法和Altera Xilinx类似，见《在Modelsim中建立LATTICE仿真库》一文，已共享。lattice的资料做的确实不如xilinx和altera。也是很多使用lattice fpga的工程师经常抱怨的一点，没有前人带的情况下使用lattice确实是非常恼火的。但是却也没有江湖传言的那么难用，其实很多时候并不是因为难，而是我们不愿意去了解，因为陌生而导致的恐惧，先入为主吧。那，废话不多说，开始进入主题。

        现在假定你lattice库文件已经编译成功，那，我们当然要物尽其用，尽可能收集多的资源加快效率。。。此处省略一万字。首先说明，lattice的DDR3是带有Modelsim仿真例程的，只要在IP例化好了之后找到:***\ddr_p_eval\ddr3core\sim。然后在modelsim se中敲do ddr3core_eval.do就可以了，正常情况下是可以运行得到结果的，而且仿真初始化时间短，比altera快，这一点本人非常满意，而且激励写的很好懂，多以任务函数形式调度，这一点秒杀altera，altera还用的system verilog写的，比较坑。

有时候直接用生成的例程一点问题没有，但就在刚刚，我又验证了一下出现了。。。

       这就无语了，建议网友可以自己试一试。

       当然还有另外个更好的例程，否则这个教程便没有意义，在官网上下载ddr3 demo，这个demo写的都是可综合的仿真代码，方便移植，其控制DDR3 IP的状态机效率高，但，不方便扩展，它带有modelsim仿真工程，这便是我们所需要的，其他的建议用户改成自己的逻辑。

       第一步，当然是去官网download了，它也不会凭空掉到你的硬盘里不是么…

 

       Download下来之后打开

       这里添加了IP文件和用户逻辑，接下来修改个人所需用的device，然后打开IP配置文件，进行重新配置，其中ddr3_demo.lpf是工程生成的时序约束文件，今后我们的约束都添加到这个文件中，这个要谨记，时序约束部分会在时序篇中介绍。

       下面做如下操作：

       你把它更换为自己所需的器件，这里选的是ECP3-35，各位请随意，但是要确定你的芯片支持DDR3。在此之前你需要先安装好DDR3 IP配置软件，点击ip server进行在线download。然后点击IP，出现如下界面

     安装好IP后进行如下操作

进行IP重配置

         打开原IP文件进行regenrate，module output选verilog，开始进入配置页面

 

         Selcet memory:选择memory型号，lattice所列出来的比较少，一般选custom，其他参数自己设置；

         Clock：Memory所工作的时钟频率，有支持两种：400MHZ,即DDR3跑到800MHZ,;300MHZ，即DDR3跑600MHZ。这里注意要确定两点：1.所选器件是不是-8速度等级，因为只有-8的器件才能跑到400MHZ；2.memory最低能不能支持600MHZ,因为有些memory是800MHZ起跳，这个要结合ddr3的datasheet确定。另外，如果选择300MHZ,那么用户还需要在生成的IP文件中去修改ddr3_pll.v这个文件，修改其配置参数，如下：

      大家可以在后面打开自动生成的ddr3_pll文件和我这个进行对比就能发现不同点，其实就是配置PLL的参数，这个也是lattice坑爹的地方之一，不人性化。。。

        Memory configuration:其他参数都很好理解，提醒一点

      这三个参数什么意思呢？

        Unbuffered DIMM:无缓冲型模组，这是我们平时所用到的标准DIMM（dubule in-line memory module，双列内存模组，所谓双列是指模组电路板与主板插槽的接口有两列引脚，模组电路板两侧的金手指对应一侧引脚），分为有ECC和无ECC两种，简称unb-dimm。

        On-board memory：其实就是颗粒了，这里例程中选的这个。

         Registred dimm:寄存器型模组，这是高端服务器所使用的DIMM，分有ECC何无ECC两种，但是市场上几乎都是有ECC的，简称reg-dimm。

其他配置见《DoubleDataRateDDR3SDRAMControllerIPCoreUsersGuide.pdf》

        第二页：Row size和colmn size和datasheet一致，其他保持默认即可

        第三页：memory device timing,如果你是初学，建议默认，这个要结合自己所选择的chip参考datasheet填入相应的参数。

        第四页：需要注意以下几点

         LATTICE DDR3 IP支持放在芯片左边和右边两种情况，这个和它的器件特性有关，因为他的DQ的缘故，pin side选择好了之后，clk_in pin随之确定，这个即外部时钟输入管脚，一般都为100MHZ，差分输入，这个是不能随便连的，这里用的L5，到时这里都要添加到时序约束里面去。

         PLL_used：是使用哪一个PLL，一般采用就近原则，PLL_R35C5是这个PLL所处的硬件模块名称，包含有位置信息，参考ecp3 handbook也要添加到时序约束中。

         em_ddr_clk：FPGA输出给DDR3颗粒的时钟所处的BANK位置

         DQS_0，DQS_1：J3，P5，这个是和选择的器件有关，可以结合器件资源修改，但是需要准从一定的DDR3管脚放置原则，DQS,DQ应该都放置在同一个BANK中，不应该跨BANK放置，否则fit不能过，SSN也不好。最终还是以时序约束通过为准。

       第五页默认设置

        因为DDR3颗粒跑400MHZ，16位宽，IP给出的用户端数据位宽为64位，所以用户时钟应该是200MHZ。

        最后点击generate…

        喝杯茶…等待一会儿….

        直到看到…

        说明IP例化成功，然后close 掉。

现在开始仿真，仿真这里极力推荐用脚本文件形式写，虽然第一次较为麻烦，而且大多可以在已有的基础上修改脚本，掌握后其实很简单，绝对是属于一劳永逸的事情，下面看好了：

       打开do ddr3_ecp3_demo.do，更改为自己的diamond地址

      建立work工作区

        映射所需加载的文件夹，这里包含了Lattice库文件（ecp3,pmi），仿真所需的源文件，仿真激励，IP文件，memory模型。这里tcl命令书写方式需要好好体会。以后用户自己的源文件放在src文件夹就OK。

      编译所有文件

       运行

      修改好了.do文件后，然后打开modelsim 10.1a，敲：cd E:/ddr3_demo/user_logic/sim/modelsim    进行更换工程位置。然后敲do ddr3_ecp3_demo.do，然后你可以看到编译，加载过程…

 

     然后波形打开，然后出现漂亮的波形，大功告成…

      Init_done拉高了。。。。

       看到了波形后，很容易很出其实就是一个不断读写校验的过程，在这基础之上修改自己的代码。

        我这里用的modelsim se 10.1a版本，另外用了modelsim se 10.2c仿真，却出现了下面的错误

       貌似是对system verilog的支持问题，这究竟是什么原因本人也没搞明白，期待网友提点。

         testbench文件中的ddr3_test_top_tb文件为激励文件，它提供了仿真所需要的时钟和复位等。其中仿真文件中下面两句话必不可少，这个是用lattice器件所特有的：

GSR GSR_INST(.GSR(VCCI_sig));PUR PUR_INST(.PUR(VCCI_sig));

其中VCCI_sig为1。也可以这样写：

GSR GSR_INST(.GSR(rest_n));PUR PUR_INST(.PUR(rest_n));

rest_n 为复位信号，低电平复位,激励文件其他部分没有需要特别注意的。

       如果想要更改代码，可以在源代码中更改后这样操作modelsim，在transcript界面敲入quit  –sim命令，退出当前仿真工程，然后重新敲：do ddr3_ecp3_demo.do

这样就可以看到更改之后的波形。

关于DDR仿真的题外篇：

       在需要用到ddr时，首先需要考虑的就是带宽的计算，这个直接决定你选用

的型号，比你1920*1080@30HZ的带宽为：1920*1080*30*16=0.9269GBIT(这里数据位宽为16的yuv)如果一个简单的进行ddr帧缓存，需要用到一读一写操作，那么对ddr的带宽要求最少就是2*0.9269BGIT，接下来考虑到ddr的效率问题，lattice的ddr ip控制器官方说效率到90%没有问题，一般建议以80%为限，也就是ddr带宽最低最好大于：(2*0.9269)/0.8=2.31725GBIT。对于一般DDR2/DDR3来说，在视频应用中容量需求肯定绰绰有余，主要考虑的是带宽，跑400MHZ的DDR2，数据位宽16位，1GBIT容量，带宽为：200*16*2/1024=6.25GBIT，效率：2.31725/6.25=37.076%；跑800MHZ的DDR3，数据位宽16位，1GBIT容量，带宽为：400*16*2/1024=12.5GBIT，2.31725/12.5=18.538%。现在DDR2使用的越来越少，价格也自然上涨，所以一般产品中会考虑到这个问题，能用DDR3最好，lattice的ecp3器件是都支持ddr2 ，ddr3的，但是在Altera的cyclone 系列中只有cyclone v以上才支持ddr3，xilinx只有sprtan 6以上才支持ddr3，所以这是个综合考虑的问题。

        控制器的控制策略直接影响到DDR3的吞吐量即带宽。根据DDR3的自身特点，通常用的方法有同bank同行操作策略：只有当换行时才进行必要的precharge操作，这样可以节省大量的开销，提高有效带宽。多bank乒乓操作策略：可以先后激活不同bank的行。由于同bank同时只能有一行进行操作，读到读，读到写，写到写，写到读，操作前后都要进行激活、去激活操作，每一次操作都要浪费大量的带宽。而DDR3允许读写同时去激活、去激活其他bank的任意行，即激活多bank策略，这样就可以在结束某一个bank的读写操作后比较短的时间内进行其他bank的读写操作。这样大大提高了DDR3的吞吐量。