DDR3控制器测试--基于Vivado2021.1的MIG核_vivado ddr3 上板

        以前在学习和工作中，都是使用的Intel的开发平台，前些时间在某宝买了块米联客的ZYNQ7035板卡来学习。因为对Xilinx的平台并不熟悉，所以首先使用MIG核设计一个DDR3控制器测试一下PL端的DDR3来练手。本文就简单记录一下使用ZYNQ7035开发平台测试PL端DDR3的过程吧。

一、软硬件环境

本文用于验证DDR3控制器所使用的软件版本为Vivado 2021.1，FPGA板卡硬件详情如下：

1. FPGA板卡是MIZ7035FC，FPGA芯片型号是XC7Z035FFG900-2；

2. PL端搭载4片镁光DDR3L存储器芯片，兼容MT41K256M16 RE-125，单片DDR3L容量为512MB*16bit，内存主频高达1600MHz，每片的容量为2^15*2^10*2^3*16bit=4Gbit，通过4片DDR3扩展组成了16Gbit容量的DDR3内存，4片DDR3L存储芯片连接方式如下图示。

二、MIG IP核介绍

1. MIG内部结构

        和Quartus一样，Xilinx的Vivado开发套件同样为用户提供了高效、灵活的外部存储器接口解决方案，能够快速实现FPGA与外部DDR SDRAM高速存储器之间的数据交互。7系列MIS所提供的MIG（Memory Interface Generator） IP核包含了用户接口、存储器控制器以及物理层（PHY），结构示意图如图2.1所示。7系列FPGA的MIG（Memory Interface Generator）是一个集成了控制器与物理层的存储器接口，可以用于连接FPGA内部的用户逻辑与外部的DDR3/DDR2存储器芯片，其内部结构如下图所示。MIG IP核用户手册--UG586。

        可以看到，整个MIG IP核的左侧User Interface（UI，用户接口），用于连接控制MIG IP核的用户逻辑；右侧是Physical Interface，即用于和DDR3存储器芯片交互的物理层接口，产生DDR3芯片工作所需的具体控制、命令和数据等时序，并直接驱动DDR3芯片的引脚。在实际使用时，我们只需要搞清楚左侧的UI的接口时序即可控制MIG IP核完成对DDR3存储器的数据读写操作了；然后对Physical Interface只需要做物理上的引脚分配，将其与DDR3存储器的引脚连接到一起就可以了。

1. User FPGA Logic：即用户逻辑，是MIG IP核之外的部分，用于向MIG产生读操作、写操作相关的请求、地址和数据等；

2. User Interface Block and User Interface：用于连接MIG与用户逻辑的接口，用户逻辑通过UI与MIG进行交互，控制MIG执行读数据或写数据操作；

3. Memory Controller and Native Interface：Memory Controller用于处理UI接收到的各种请求，并对其进行排序以优化数据吞吐量和传输延时；Native Interface则是向User FPGA Logic提供了向存储器发起读写请求以及数据存取机制；

4. Physical Layer and Physical Interface：Physical Layer是用于产生DDR3存储器所需的地址、数据、控制等信号时序的；Physical Interface则是MIG和DDR3存储器芯片连接的通信通道。

5. User Interface侧接口说明

注：1、app_wdf_end和app_rd_data_end什么时候拉高，跟Memory Controller和DDR3的时钟比例有关系。2、我们使用MIG时，用户逻辑与MIG交互时可以使用上面的User Interface，也可以使用AXI4接口，这里先只介绍User Interface的接口信号。

1. User Interface侧接口时序

1. 命令通道

        可以发现，当app_rdy和app_en同时为高电平时，命令（app_cmd）和地址（app_addr）才会被MIG所接收。

1. 写数据通道

        对于写操作，命令（app_cmd、app_addr、app_en、app_rdy）和数据（app_wdf_data、app_wdf_wren、app_wdf_end）可以不用同步寄存，也就是说--命令可以先于数据被输入，也可以后于数据被输入，但是数据和命令之间的延迟不可以超过2个时钟周期；并且，只有在app_wdf_rdy有效时数据才能寄存，这是因为MIG内部有一个FIFO用于存储接收到的数据，只有当此FIFO处于ready（app_wdf_rdy为1）状态且app_wdf_wren与app_wdf_end都有效时才能接收数据app_wdf_data。另外，当UI侧的数据速率与PHY侧的DDR3时钟速率比为4：1时，app_wdf_end与app_wdf_en两者的时序一样；当UI侧的数据速率与PHY侧的DDR3时钟速率比为2：1时，app_wdf_end与app_wdf_en两者的时序不一样，app_wdf_end每拉高两个周期，app_wdf_en在第二个周期拉高；这块跟我们对MIG IP核的配置有关系。

1. 读数据通道

        读操作的时序比较简单，只需要在MIG准备好（app_rdy为1）时，给入命令即可控制MIG从DDR3突发数据返回给用户逻辑。

        需要注意的是，虽然三个通道相互独立，但是写数据通道与读数据通道共用命令通道，因此，在UI侧不能同时给入读操作的命令和写操作的命令，这一点也和DDR3存储器的分时读写特点是一致的。

1. 地址映射

        UI侧输入的地址和Memory Controller的地址有两种映射方式：BANK_ROW_COLUMN和ROW_BANK_COLUMN，可以在配置MIG IP核时选择不同的映射方式。例如：当DDR3的Bank地址位宽为3、Row地址位宽为15、Column地址位宽为10时，则BANK_ROW_COLUMN方式下，app_addr的值为{Bank[2:0],Row[14:0],Column[9:0]}，ROW_BANK_COLUMN方式下，app_addr的值为：{Row[14:0],Bank[2:0],Column[9:0]}。

三、MIG IP核配置

1. 在IP Catalog中搜索“mig”，即可找到Memory Interface Generator，然后双击打开；

1. 在接下来的界面中直接点击"Next"，进入下一个界面，根据自己的需求配置基本信息，然后点击"Next"；

1. 选择引脚兼容的FPGA，此次使用的芯片是xc7z035-ffg900-2，所以保持默认型号即可，直接点击"Next"进入下一步；

1. 存储器型号选择”DDR3 SDRAM“，然后点击"Next"进入下一步；

1. 控制器配置：

Clock Period：配置为2000ps即可，DDR3的工作时钟频率为500MH，实际的传输频率为1GHz，这个根据自己项目中所需要的数据传输带宽设置即可。

PHY to Controller Clcok Rate：PHY与控制器的时钟频率比（一般是2：1或4：1）。2：1时，UI侧app_wdf_data的位宽是DDR3物理内存接口位宽的4倍，延迟更低但是会因为FPGA逻辑的时序限制导致内存接口频率折损；4：1时，UI侧app_wdf_data的位宽是DDR3物理内存接口位宽的8倍，数据速率较高。一般来说，当工作频率较高时，选择4：1比较合适。

Memory Part：选择自己的板卡上DDR3存储器型号或者是兼容的型号就行；

Memory Voltage：DDR3存储器的工作电压，板卡上的DDR3是LPDDR3，所以其工作电压设置为1.35V即可；

Data Width：DDR3 RANK的实际数据位宽，这里选择64（16*4）；

Data Mask：勾选则会产生实际的数据掩码引脚，不勾选的话能够提高引脚效率，一般SDRAM都有数据掩码的功能，所以这里勾选上；

Number of Bank Machines：用于对部分或全部BANK进行控制，最大可选8个，值越大可以操作的内从容量越大，消耗的资源也越多；

ORDERING：用来控制MIG是否对它收到的读/写指令进行重新排序以提高总线效率，Normal表示允许，Strict 表示禁止，严格按照UI输入的顺序执行。此处选择 Normal，保证控制器具有较高的效率。

1. Memory Option：

Input Clock Period：MIG核系统输入时钟周期，需要是PLL生成的时钟；

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），突发长度固定为 8，用于配置DDR3的模式寄存器；

Output Driver Impdance Control：DDR3输出驱动阻抗控制，此处设置为 RZQ/7，RZQ的值为240Ω，根据DDR3的芯片手册可知；

RTT：DDR3的片上终结电阻配置，可进行动态控制，选择 RZQ/4即60Ω；

Controller Chip Select Pin：片选管脚引出使能，选择enable即可，表示生成片选信号 cs#并控制外部DDR3；

BANK_ROW_COLUMN：地址映射方式，选择BANK_ROW_COLUMN形式即可。

1. FPGA Options：

System Clock：配置MIG的输入系统时钟的类型，可以是单端时钟、差分时钟或No Buffer模式，这里选择No Buffer模式即可，由PLL提供时钟；

Reference Clock：MIG核的参考时钟输入，设置为“Use System Clcok”，表示使用System Clcok作为参考时钟使用；

System Reset Polarity：系统复位信号的极性，设置为低电平有效即可；

Debug Signals Control：用于设置是否需要把MIG IP核的一些如校准状态之类的调试信号引出来，如果引出则会被自动添加到 ILA或VIO，此处可以不需要引出调试信号，选择 “OFF”即可；

Sample Data Depth：采样深度设置，当“Debug Signals Control”设置“OFF”时，此选项不可配置；

IO Power Reduction：IO 管脚节省功耗设置，启用此功能；

XADC Instantiation：XADC补偿使能，若使能则MIG核会调用XADC进行温度监控。

1. 接下来两个界面可以直接选择默认配置即可；

1. Pin Selection：这个界面主要是配置DDR3芯片的引脚编号及电平属性，首先点击Read XDC/UCF，导入板卡配套的UCF文件，然后点击Validata进行验证，验证不报错才能点击“Next”进行下一步操作；

1. 后面的步骤就不需要再多说了，直接点击”Next“，直到最后一个界面时点击”Generate“生成IP核即可完成MIG核的配置。

        配置完IP核之后，我们可以通过对Vivado提供的Example Design工程仿真以进一步搞清楚MIG IP核的UI接口时序，方便后续完整DDR3控制器的设计。

四、MIG IP核仿真

1. 首先，需要生成Example Design工程，右键选中刚才生成的MIG IP核，在出现的菜单栏中会有一个Open IP Example Design，点击Open IP Example Design即可生成Open IP Example；

1. 找到刚才生成的Example Design工程，双击.xpr文件即可打开Vivado工程；

1. 在Vivado工程首页直接点击“Run Simulation”即可打开仿真，这个过程可能会需要一会时间；打开仿真后可以在Scope中将MIG核的信号添加到波形窗口，以便观察MIG的UI侧信号时序，当然，如果有需要也可以把DDR3存储器模型也添加到波形窗口，这样可以观察到DDR3存储器的PHY层时序，有助于我们更好的理解DDR3的工作原理；

1. 经过大约55us的运行后，MIG完成对DDR3的初始化校准，然后接下来就可以对DDR3进行读写测试了，可以看到MIG的UI侧信号时序跟我们之前分析的是一致的；

1. 可以发现，每产生一个读/写命令，app_addr相应的偏移8个地址单元，这是因为MIG的UI侧数据总线位宽为512，而DDR3的PHY层数据总线位宽为64，两者之间是8倍的关系；另外，观察UI侧的时钟频率与PHY侧的时钟信号可以发现，UI侧的时钟（ui_clk）周期为5000ps，而PHY侧的时钟（ddr3_ck_p_fpga）的周期为1250ps，两者之间是4倍的关系，但是由于UI侧是单边沿传输，而PHY侧是双边沿传输，因此，两者之间的数据传输速率是4*2倍的关系，这样数据和地址就一一对应上了。

搞清楚UI接口信号时序后，接下来就可以利用MIG来设计完整的DDR3控制器了。

五、工程设计与仿真

        相比较而言，Xilinx的MIG核仿真比较简单，只需要在我们的Testbench中例化DDR3仿真模型就可以直接使用Xsim仿真了，可以不需要设计仿真脚本。

genvar r,i;
 
  generate
 
    for (r = 0; r < CS_WIDTH; r = r + 1) begin: mem_rnk
 
      if(DQ_WIDTH/16) begin: mem
 
        for (i = 0; i < NUM_COMP; i = i + 1) begin: gen_mem
 
          ddr3_model u_comp_ddr3
 
            (
 
             .rst_n   (ddr3_reset_n),
 
             .ck      (ddr3_ck_p_sdram),
 
             .ck_n    (ddr3_ck_n_sdram),
 
             .cke     (ddr3_cke_sdram[r]),
 
             .cs_n    (ddr3_cs_n_sdram[r]),
 
             .ras_n   (ddr3_ras_n_sdram),
 
             .cas_n   (ddr3_cas_n_sdram),
 
             .we_n    (ddr3_we_n_sdram),
 
             .dm_tdqs (ddr3_dm_sdram[(2*(i+1)-1):(2*i)]),
 
             .ba      (ddr3_ba_sdram[r]),
 
             .addr    (ddr3_addr_sdram[r]),
 
             .dq      (ddr3_dq_sdram[16*(i+1)-1:16*(i)]),
 
             .dqs     (ddr3_dqs_p_sdram[(2*(i+1)-1):(2*i)]),
 
             .dqs_n   (ddr3_dqs_n_sdram[(2*(i+1)-1):(2*i)]),
 
             .tdqs_n  (),
 
             .odt     (ddr3_odt_sdram[r])
 
             );
 
        end
 
      end
 
      if (DQ_WIDTH%16) begin: gen_mem_extrabits
 
        ddr3_model u_comp_ddr3
 
          (
 
           .rst_n   (ddr3_reset_n),
 
           .ck      (ddr3_ck_p_sdram),
 
           .ck_n    (ddr3_ck_n_sdram),
 
           .cke     (ddr3_cke_sdram[r]),
 
           .cs_n    (ddr3_cs_n_sdram[r]),
 
           .ras_n   (ddr3_ras_n_sdram),
 
           .cas_n   (ddr3_cas_n_sdram),
 
           .we_n    (ddr3_we_n_sdram),
 
           .dm_tdqs ({ddr3_dm_sdram[DM_WIDTH-1],ddr3_dm_sdram[DM_WIDTH-1]}),
 
           .ba      (ddr3_ba_sdram[r]),
 
           .addr    (ddr3_addr_sdram[r]),
 
           .dq      ({ddr3_dq_sdram[DQ_WIDTH-1:(DQ_WIDTH-8)],
 
                      ddr3_dq_sdram[DQ_WIDTH-1:(DQ_WIDTH-8)]}),
 
           .dqs     ({ddr3_dqs_p_sdram[DQS_WIDTH-1],
 
                      ddr3_dqs_p_sdram[DQS_WIDTH-1]}),
 
           .dqs_n   ({ddr3_dqs_n_sdram[DQS_WIDTH-1],
 
                      ddr3_dqs_n_sdram[DQS_WIDTH-1]}),
 
           .tdqs_n  (),
 
           .odt     (ddr3_odt_sdram[r])
 
           );
 
      end
 
    end
 
  endgenerate

        然后，在Vivado界面Run Simulation，这个过程会需要点时间，大约仿真55us后，DDR3初始化训练校准完成（init_calib_complete拉高），然后我们可以看到我们设计的用户逻辑在对DDR3进行数据写入和读出，而且，读出的数据和写入的数据是一样的，证明我们设计的DDR3控制器基本是可以实现对DDR3的读写的。实际上，上板运行也是正确无误的。

六、总结

        本文主要简单介绍了Vivado中使用MIG核设计DDR3控制器的过程，相比较而言，Vivado的MIG核的接口时序比Quartus的EMIF核的接口时序要略微复杂，但是其仿真过程要简单的多，相对来说比较容易上手。实际上，不管多么复杂的IP核，只要弄清楚了UG，能够有一个Example跑一下仿真，上手做设计其实难度也不大。