关于FPGA对 DDR4 （MT40A256M16）的读写控制 3_fpga挂在二十多片ddr4

关于FPGA对 DDR4 （MT40A256M16）的读写控制 3

语言 ：Verilg HDL 、VHDL
EDA工具：ISE、Vivado、Quartus II

• 关键词： 调用，Verilog HDL,ifdef 和 endif ,generate语句

一、引言

博主将会写一个系列的文章 关于FPGA对DDR4（MT40A256M16）的有效读写控制，最大化FPGA对DDR4的读写控制。首先将对DDR4的技术文档进行研读，注重DDR4的读写操作、刷新时间等。

二、DDR的功能性描述

DDR4 SDRAM是一种高速动态随机存取存储器，其内部配置为16个存储体（对于x4/x8设备，是4个存储体组，每组4个存储体；对于x16设备，是2个存储体组，每组4个存储体）。该设备使用双数据速率（DDR）架构来实现高速操作。DDR4架构本质上是一种8n预取架构，其接口设计能够在I/O引脚上每个时钟周期传输两个数据字。
一个设备模块的单次读写访问实际上包括在内部DRAM核心的8n位宽、四个时钟周期的数据传输，以及在I/O引脚上的八个相应的n位宽、半个时钟周期的数据传输。
对设备的读写访问是突发导向的。访问从选定的位置开始，并以八个或四个的突发长度继续，按照程序序列进行。操作始于ACTIVE命令，然后是READ或WRITE命令。与ACTIVE命令同时发出的地址位用于选择要访问的存储体组和行（对于x4/x8，BG[1:0]选择存储体组，对于x16，BG0选择存储体组；BA[1:0]选择存储体，A[17:0]选择行）；与READ或WRITE命令同时发送的地址位用于选择突发操作的起始列位置，确定是否发出自动PRECHARGE命令（通过A10），以及在模式寄存器中启用时，即时选择BC4或BL8模式（通过A12）。
在正常操作之前，设备必须以预定方式进行上电和初始化。

三、SDRAM设备中模式寄存器的可编程性

模式寄存器需要用户通过特定的命令进行初始化和编程，以确保设备按照预期的方式运行

1、为了应用的灵活性，设备提供了七个模式寄存器（MRn），这些寄存器可以被编程为用户定义的变量，必须通过一个模式寄存器设置（MRS）命令来编程。

2、模式寄存器的默认值是未定义的，因此必须在上电和/或复位后完全初始化或重新初始化模式寄存器的内容，以确保设备正常工作

3、在正常操作期间，可以通过重新执行MRS命令来改变模式寄存器的内容。

4、编程模式寄存器时，即使用户选择只修改MRS字段的一个子集，当发出MRS命令时，也必须重新定义被访问的模式寄存器中的所有地址字段。
5、MRS命令和DLL重置命令不会影响存储阵列的内容，这意味着这些命令可以在上电后的任何时间执行，而不会影响存储阵列的内容

MRS（Mode Register Set）的命令周期时间Tmrd, 是完成向模式寄存器写入操作所需的时间, 是两个MRS命令之间所需的最短时间，时间才能发送下一个MRS命令。这个时间间隔确保了第一个MRS命令能够完全执行，模式寄存器能够正确地接收并存储新的配置值。如果在这个时间间隔内发送了另一个MRS命令，可能会影响第一个命令的执行，导致设备配置不正确。

四、重要的模式寄存器之MR0

1、功能：MR0控制着设备的各种操作模式，具体的设置可以在随后提供的寄存器定义表中查看。并不是表中列出的所有设置在每个芯片上都可用；只有那些对于速度等级支持所必需的设置才是可用的。

2、写入方法：MR0是通过发出模式寄存器设置（MRS）命令来写入的。在发出MRS命令的同时，需要控制BGx、BAx和Ax地址引脚的状态。

3、地址引脚映射：在MRS命令期间，地址引脚的映射关系会在随后的MR0寄存器定义表中展示

（1） Burst Length、Type、Order

这三个参数是控制内存访问行为的关键参数
1、Burst Length（突发长度）
这指的是在一次突发访问中连续读取或写入的数据块的大小。常见的突发长度有

BC4：突发长度为4个字节
BL8：突发长度为8个字节

2、Type（类型）
这通常指的是突发访问的模式，主要有两种类型

Fixed：固定突发，意味着每次访问都使用相同的突发长度。 On-the-fly
(OTF)：动态突发，允许在每次访问时根据需要选择BC4或BL8

3、Order（顺序）
这决定了在突发访问中数据是如何被读取或写入的。有两种主要的顺序：

Sequential：顺序突发，数据按照内存中的物理顺序被访问。
Interleaved：交错突发，数据访问不是按照物理顺序，而是可能跳过某些存储体，按照特定的模式进行。

突发访问的顺序可以被编程为顺序或交错顺序
顺序访问：在给定的突发中，访问可以按顺序进行，即按照存储体中数据的物理顺序。
交错访问：访问可以按交错顺序进行，这通常意味着数据访问不是按照物理顺序，而是按照特定的模式跳过某些存储体

突发访问的顺序由以下因素决定：

1、突发长度：可以是固定的BC4（4个字节的突发）或BL8（8个字节的突发）。
2、突发类型：这可能指的是访问模式，比如正常突发或交错突发。
3、起始列地址：访问开始的列地址也会影响访问的顺序。
4、OTF选项：“On-the-fly”（OTF）选项允许在寄存器读或写命令的同时通过A12/BC_n选择BC4或BL8。这意味着突发长度可以在每次读写命令时动态选择，而不是固定在设备初始化时。

对上表作如下注释：
1、CA[2:0]的值：0到7的位数字表示在突发访问期间，该位将成为第一个被读取的位。CA[2:0]是一个3位地址字段，它决定了突发访问的起始列地址。
2、突发长度对写入操作的影响：
当在MR0（模式寄存器0）中将突发长度设置为BC4（固定）时，内部写入操作比BL8模式提前两个时钟周期开始。这意味着tWR（写入恢复时间）和tWTR（写入到读取时间）的起始点会提前两个时钟周期。

当在MR0中将突发长度设置为OTF（即动态突发长度）时，即使在列地址时间使用A12/BC4_n选择了BC4，内部写入操作的开始时间也与BL8相同。这意味着如果使用OTF MR0设置，tWR和tWTR的起始点不会像BC4（固定）情况那样提前两个时钟周期。
3、输出驱动器状态
T：表示输出驱动器为数据和存取信号处于高阻抗状态（High-Z），即不驱动信号。
V：表示有效的逻辑电平（0或1），但相应的缓冲区输入在输入引脚上忽略电平。
X：表示“不关心”，即在该上下文中，该位的值不影响操作或结果。

（2）CAS延迟

CAS延迟（CL）是DDR4 SDRAM内存性能的关键参数之一。
1、CAS延迟（CL）定义：CAS延迟在MR0寄存器定义表中给出，它指的是从内部读命令发出到第一个输出数据位可用之间的延迟，这个延迟以时钟周期来计量。
**2、不支持半时钟延迟：**设备不支持以半个时钟周期为单位的延迟设置，延迟必须以完整的时钟周期来定义。
3、整体读延迟（RL）：整体读延迟是加法延迟（AL）与CAS延迟（CL）的总和，即： RL=AL+CLRL=AL+CL
**4、加法延迟（AL）：**这是除了CAS延迟之外的其他延迟，可能包括命令发出到地址寄存器的延迟等。
**5、CAS延迟（CL）：**如上所述，是读命令到数据可用的延迟。
这个公式说明了内存的读操作总延迟是如何由这两部分组成的。在系统设计中，了解和优化这些延迟对于确保内存性能满足应用需求至关重要。不同的应用可能对延迟有不同的容忍度，因此选择合适的CL和AL值对于实现最佳性能非常重要。

（3）Test Mode

DDR4 SDRAM设备中模式寄存器0（MR0）的第7位（MR0[7]）的作用以及正常操作模式的设置方法：
1、正常操作模式的选择：正常操作模式是通过设置MR0的第7位以及将其他位设置为MR0寄存器定义表中所显示的期望值来选择的。
2、MR0[7]的设置：

当MR0[7]设置为0时，设备将进入正常操作模式。
当MR0[7]设置为1时，设备将进入由DRAM制造商定义的测试模式。这种模式仅供制造商使用，而不是最终用户。

3、制造商测试模式： 如果MR0[7]设置为1，设备将处于制造商测试模式，这种模式下的操作或功能对最终用户来说是未指定的。这意味着在这种模式下，设备的行为可能与正常操作模式不同，并且可能包括用于诊断或测试的特定功能。

（4）Write Recovery (WR)/READ-to-PRECHARGE

1、tDAL的确定：tDAL（数据访问时间）可以通过tRP（行预充电时间）来确定

2、自动预充电的最小写入延迟（WR (MIN)）
写入延迟（tWR）以纳秒为单位，时钟周期（tCK）也以纳秒为单位
动预充电的最小写入延迟（WR (MIN)）通过将tWR除以tCK，并向上取整到下一个整数来计算
WR (MIN) cycles = roundup (tWR[ns]/tCK[ns])

设备的写入延迟（WR）必须被编程为等于或大于最小写入延迟（WR (MIN)）。

3、CRC对tWR的影响：
如果在模式寄存器中同时启用了DM（数据掩码）和写CRC（循环冗余校验），设备会在将写入数据发送到存储阵列之前计算CRC。
当启用CRC时，tWR值会改变。如果出现CRC错误，设备将阻止写入操作并丢弃数据

4、RTP值的用途： 编程后的RTP值与tRP一起用于确定对同一存储体的激活（ACT）时序

这些时序参数对于确保DDR4 SDRAM设备正确地执行读写操作至关重要。它们需要根据具体的时钟频率和设备要求进行精确计算，并在模式寄存器中进行适当编程。如果启用了额外的错误检测或校验功能，如CRC，还需要考虑它们对时序参数的影响。