『FPGA通信接口』DDR(3)DDR3颗粒读写测试

前言

以四颗MT41K512M16HA-125AIT颗粒为例，介绍如何在一块新制板卡上做关于DDR3的器件测试。前面两篇介绍了什么是DDR，并介绍了xilinx给出的FPGA与DDR完美结合的方案MIG IP核,请按照顺序阅读DDR相关文章，链接在文末。DDR3颗粒，DDR3内存条，DDR4颗粒，DDR4内存条都可以与FPGA相连，DDR芯片选型以及链接形式选型与系统对于数据带宽的要求，存储容量的要求，对结构的要求息息相关，同时不同形式不同代DDR对FPGA选型提出了要求，本文介绍DDR3颗粒与FPGA相连，实现读写测试。

1.配套工程简介

提供了两套DDR3颗粒测试工程，工程文件名是DDR3_2PCS800MHz，DDR3_4PCS400MHz，对应2片DDR的800Mhz读写测试，4片DDR的400Hz读写测试。此外还有DDR4颗粒测试工程和DDR3内存条测试工程。两套DDR3颗粒测试工程主控芯片是xilinx xc7k325tffg900-2，颗粒是MT41K512M16HA-125AIT，vivado版本是2020.2。不同的速度测试实际上只需要修改IP里面的配置即可。2片与4片的区别是，一次DDR引脚时钟，写入DDR的数据量是32bit和64bit的区别；MIG IP是按照8倍突发工作，即一个ui_clk用户时钟，MIG读取8个地址的数据，所以2片与4片会导致MIG IP的数据总线是256bit和512bit的区别。为了读者能够快速应用到自己的场景，提供的工程做了区分。需要说明的是，工程应用在本地需要注意，切换相应的时钟输入，切换DDR的UCF文件，切换指示灯的链接，如果有更多的指示灯，则可以接TEST_LENGTH相关的计数器指示一次测试结束，或者指示MIG IP的初始化结果。如果FPGA的型号不同或者DDR颗粒不同，建议重新创建工程进行测试，并且根据对应芯片重新计算TEST_LENGTH。例程都是按照app接口进行控制，在DDR3_4PCS400MHz中提供了一个block design，可以置顶编译综合布线生成bit后，使用tcl的命令便捷读写指定位置，用在定位某个确定位置的读写，这个block design用的是DDR 的AXI接口。

需要注意，本例的DDR颗粒不在MIG IP所直接支持的列表中，因为通过查询手册自定义了一个DDR型号，如下图所示。

2.测试内容与策略

通过写入和读出判断读写过程是否正确；此外，工程实践中会遇到当工作频率高的时候DDR读写不稳定， 因此必要进行速度测试。此外还应进行容量进行测试。一个测试工程，对上述三项全部测试；在MIG的平面地址接口中，按照地址顺序写入确定的已知值，然后在按照相同顺序读出这些已知值做比较，相同则常亮led表示测试通过，否则led闪烁表示测试失败。

3. 测试程序分析

附verilog测试代码，省略了模块例化部分，程序步骤解读如下：
①例化clk ip产生200MMIG参考电压输入
②例化MIG ip通过app接口读写ddr数据
③写两段式状态机，为进行容量测试，写至满容量的90%即可。写完切换至读状态，若读写无误则一直读写。Wr_addr_cnt或者rd_addr_cnt每计数一次，app_addr_begin自增8，这是因为，当工作频率配置为800MHz且用户时钟ui_clk与工作频率的比值配置为4：1时，ui_clk为200MHz。四片DDR3的数据位宽为64bit，由于”“DDR（double data rate）”，所以在每一个800MHz周期应该提供128bit数据，因此每一个200MHz周期应该向MIG提供512bit数据。而在单一内核中，每一个平面地址存储位数为16bit，四片即64bit，那512bit/64bit=8，即一个200MHz周期的512bit数据写入了8个平面地址，因此此处一次突发（即Wr_addr_cnt或者rd_addr_cnt每计数一次），app_addr_begin自增8。
该颗粒平面地址空间有16+10+3=29bit，上一段的描述提到一次突发需要8个地址，那么满容量可以进行多少次突发？即2^29(满地址)/8=67108864，将TEST_LENGTH设置为32’d60000000，即写了60000000/67108864=90%的空间，这样可以满足容量测试的要求。
④结合状态机运行状态和MIG返回的指示信号为app接口信号赋值，此处应结合各信号含义和接口时序核准。
⑤用户判错逻辑，写入和读出的都是从0开始递增的数据，当出错时指示灯闪烁。

parameter  TEST_LENGTH = 32'd60000000;
//***********1.先写后读状态机state machine
parameter  IDLE  = 2'd0;           
parameter  WRITE = 2'd1;          
parameter  WAIT  = 2'd2;           
parameter  READ  = 2'd3;   
reg [511:0]my_512_data;
reg [25:0] wr_addr_cnt;
reg [25:0] rd_addr_cnt;
reg [1:0]  state;
always @(posedge ui_clk or negedge rst_n) begin
 if((~rst_n)||(error_flag)) begin 
     state    <= IDLE;          
     my_512_data <= 512'd0;     
     wr_addr_cnt  <= 26'd0;      
     rd_addr_cnt  <= 26'd0;       
     app_addr_begin<= 30'd0;         
 end
 else if(init_calib_complete)begin               //MIG IP核初始化完成
     case(state)
        IDLE:begin
            state    <= WRITE;
            my_512_data <= 512'd0;   
            wr_addr_cnt  <= 26'd0;     
            rd_addr_cnt  <= 26'd0;       
            app_addr_begin     <= 30'd0; 
        end
        WRITE:begin
            if((wr_addr_cnt == TEST_LENGTH-1) &&(app_rdy && app_wdf_rdy))
                state    <= WAIT;                  //写到设定的长度跳到等待状态
            else if(app_rdy && app_wdf_rdy)begin   //写条件满足
                my_512_data <= my_512_data + 1;  //写数据自增
                wr_addr_cnt  <= wr_addr_cnt + 1;   //写计数自增
                app_addr_begin<= app_addr_begin + 8;      //DDR3 地址自增
            end else begin          //写条件不满足，保持当前状态
                 my_512_data <= my_512_data;      
                 wr_addr_cnt  <= wr_addr_cnt;
                 app_addr_begin<= app_addr_begin; 
            end
        end
        WAIT:begin                                                 
            state   <= READ;                     //下一个时钟，跳到读状态
            rd_addr_cnt <= 26'd0;                //读地址复位
            app_addr_begin<= 30'd0;                //DDR3读从地址0
        end
        READ:begin                               //读到设定的地址长度    
            if((rd_addr_cnt == TEST_LENGTH -1 ) && app_rdy)
                state   <= IDLE;                   //则跳到空闲状态 
            else if(app_rdy)begin                  //若MIG已经准备就绪,则开始读
                rd_addr_cnt <= rd_addr_cnt + 1'd1; //用户地址每次加一
                app_addr_begin    <= app_addr_begin + 8;       //DDR3地址加8
            end else begin   //若MIG没准备好,则保持原
                rd_addr_cnt <= rd_addr_cnt;
                app_addr_begin    <= app_addr_begin; 
            end
        end
        default:begin
            state    <= IDLE;
            my_512_data  <= 512'd0;
            wr_addr_cnt  <= 26'd0;
            rd_addr_cnt  <= 26'd0;
            app_addr_begin <= 30'd0;
        end
     endcase
 end
end   
//********2.根据状态机与MIG指示信号为app信号赋值
assign app_en  =((state == WRITE && (app_rdy && app_wdf_rdy))||(state == READ && app_rdy)) ? 1'b1:1'b0;             
assign app_cmd =(state == READ) ? 3'd1 :3'd0;  
assign app_wdf_wren=(state == WRITE && (app_rdy && app_wdf_rdy)) ? 1'b1:1'b0;
assign app_wdf_end =app_wdf_wren; 
assign app_addr    =app_addr_begin;
assign app_wdf_data=my_512_data;   
//****************3.用户判错逻辑
reg     [25:0]   rd_cnt;
wire             rst_n;     //复位，低有效
reg              error_flag;
parameter  L_TIME = 28'd200_000_000;
reg     [27:0]   led_cnt;    //led计数
wire             error;     //读写错误标记
assign rst_n = ~ui_clk_sync_rst;//&&myrst
always @(posedge ui_clk or negedge rst_n) begin
 if(~rst_n) 
    rd_cnt  <= 0;              //若计数到读写长度，且读有效，地址计数器则�?0
 else if(app_rd_data_valid&&(rd_cnt == TEST_LENGTH - 1))
    rd_cnt <= 0;              //其他条件只要读有效，每个时钟自增1
 else if (app_rd_data_valid)
    rd_cnt <= rd_cnt + 1;
end
//判断错误，读出数据应为计数递增数据
assign error = (app_rd_data_valid && (rd_cnt!=app_rd_data));
always @(posedge ui_clk or negedge rst_n) begin
if(~rst_n)
    led2<=0;
else if(rd_cnt==32'd50000000)
    led2<=1;
end 
always @(posedge ui_clk or negedge rst_n) begin
 if(~rst_n) 
     error_flag <= 0;
 else if(error)
     error_flag <= 1;
end
//读写测试正确，指示灯led1常亮，反之则闪烁
always @(posedge ui_clk or negedge rst_n) begin
  if((~rst_n) || (~init_calib_complete )) begin
     led_cnt <= 28'd0;
     led1 <= 1'b0;
 end
 else begin
     if(~error_flag)
         led1 <= 1'b1;
     else begin
         led_cnt <= led_cnt + 28'd1;
         if(led_cnt == L_TIME - 1'b1) begin
         led_cnt <= 25'd0;
         led1 <= ~led1;
         end
    end
end
end
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121

4.程序结果分析

正常结果可以看到与上一节MIG IP给出的时序是一致的。
●写开始时序：

●写结束时序：

●读开始时序：

●读结束时序：

测试的结果最好通过读写一定量并且读写指示灯亮确认。当测试异常时，应按照DDR是否初始化成功、MIG app接口时序是否正确、MIG ip配置是否正确、状态机运行状态是否异常方面入手分析。DDR初始化不成功init_calib_complete为0可能的原因是，时钟输入与MIG IP配置不一致，MIG端口没有正确连接，DDR的UCF约束有问题。

5.一个IP控制两颗DDR3

如下原理图，可以清楚的看到，两颗DDR3的相同的控制线连在了一个控制器的相同引脚，而数据线是各自连的。在PCB布线的时候通常用fly_by的方式连接DDR3。对于FPGA而言，把外部的位宽为16bit的两颗DDR当成了一个位宽为32bit的DDR3来控制。这种往往是为了扩大容量；或者为了匹配rank位宽；或者为了提升带宽，将两片或者四片甚至更多片DDR3放在一起。对于这种场景，只需将上一篇IP配置第5步中的data width设置为实际芯片加起来的位宽即可。如两片16bit位宽颗粒相连，则设置位宽为32bit即可。其余的用户逻辑且把他当作一片位宽为32bit的DDR3即可。实际上，用户存入的32bit数据在实际存放时，高位16bit和低位16bit的数据被放到不同的两片DDR3中，唯一的关联就是，这两个位置的物理值是相等的而已。

6.传送门

• 我的主页
• FPGA通信接口专栏汇总导航
• 上一篇：MIG IP核的使用
• DDR3测试工程