【FPGA】DDR3学习笔记（二）丨从SDRAM到DDR3的IP核设计

本篇文章包含的内容

一、DDR SDRAM
- 1.1 基本概述
- 1.2 工作时序（以读取为例）
二、DDR2 SDRAM
- 2.1 基本概述
- 2.2 工作时序
三、DDR3 SDRAM
- 3.1 基本概述
- 3.2 硬件设计
- 3.3 读写时序
- 3.4 MIG IP核设计
- 3.5 读写代码设计

开发板：正点原子的达芬奇开发板（或MicroPhase的Z7-Lite 7020开发板）
FPGA型号：XC7A35TFGG484-2（或XC7Z020CLG400-2）
Vivado版本：2020.2
参考课程链接：正点原子手把手教你学FPGA-基于达芬奇开发板 A7

一、DDR SDRAM

1.1 基本概述

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DDR SDRAM（Double Data Rate SDRAM），即（第一代）双倍速率同步动态随机存储器，它的主要结构示意图如上图所示。相较于SDRAM，它的主要有以下几点不同：

差分时钟：DDR SDRAM最核心的特点就是通过引入差分时钟，同时获取时钟信号CK的上升沿和下降沿，在上升沿和下降沿都可以传输数据。
数据预取和预存（Prefetch）：在读取过程中，为了提高数据传输效率，先将数据放到输出锁存中，之后再通过多路选择器将数据输出到数据线DQ上。写入操作也与之类似，先将数据读入到缓存电路中，将数据拼接后存入对应的存储单元中。
同步数据信号DQS：数据变化只在DQS的边沿改变，此信号只由数据的发送方给出，提供给数据的接收方用于同步数据信号，目的就是为了在高速的数据传输中保持数据传输的稳定性。
掩码控制只对写入起作用：如上图所示，数据的掩码控制只对写入起作用，对读出不再支持掩码控制操作。

1.2 工作时序（以读取为例）

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二、DDR2 SDRAM

2.1 基本概述

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DDR2的主体结构与第一代DDR没有太大的不同，但是读取速度提升了一倍。可以看到DDR2的内部结构相较于之前也更复杂，在这里仅仅对一些知识点作一些科普性的说明：

片外驱动调教（OCD，Off-Chip Driver）：DDR2上电后同样有初始化过程，在这个过程中除了需要配置模式寄存器MRS（Mode Register Settings）之外，还添加了扩展模式寄存器设置过程EMRS（Extended Mode Register Settings），增加了新的设置选项。在EMRS阶段，DDR2添加了可选的OCD功能，主要作用是调整IO接口端的电压，用于补偿上拉电阻和下拉电阻对IO端口造成的影响，目的是使DQS和DQ之间的时间偏差降低到最小，以保证数据的稳定传输。调教期间，分别测试DQS高电平-DQ高电平与DQS低电平-DQ高电平时的同步情况，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/下拉电阻的等级，直到测试合格才会退出OCD操作。
片内终结（ODT，On-Die Termination）：所谓的终结，就是让信号被电路的终端被吸收掉，而不会在电路上形成反射，造成对后面信号的影响。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（电压岛就是指一块特殊的电路，没有其他特殊含义）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，则将这个难点消灭了。顾名思义，ODT 就是将终结电阻移植到了芯片内部，主板上不在有终结电路。
前置CAS、附加潜伏期AL和写入潜伏期WL：前置 CAS（Posted CAS）是为了解决 DDR 内存中指令冲突而设计的功能。它允许 CAS 信号紧随 RAS （ACTIVE命令）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，便于后面的行有效命令发出，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，仍有要保证有足够的延迟/潜伏期，为此，DDR-Ⅱ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，DDR-Ⅱ还对写入潜伏期（WL，Write Latency）制定了标准，WL 是指从写入命令发出到第一笔数据输入的潜伏期，不要将它和 tDQSS 弄混了，后者是指 DQS 而不是数据。按规定，WL=RL-1，即 AL+CL-1。

2.2 工作时序

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三、DDR3 SDRAM

3.1 基本概述

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可以看到，DDR3 相较于前几代版本越来越复杂，很多工程师添加和很多的新功能，提升了数据的存储容量和传输效率。但是笔者学习了相关内容之后发现，想要自行编写 DDR3 的 Verilog HDL 程序是非常不现实的，其中涉及非常多时序等待时间的计算和校准，调用官方自带的IP核对于开发效率的提升还是很大的。

DDR3相较于前几代添加的核心概念有以下几点（科普性质内容，了解即可）：

突发长度（Burst Length，BL）与前几代不同：由于DDR3的预取为8bit，所以突发传输周期（Burst Length，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4bit Burst Chop（突发突变）模式，即由一个BL=4的读取操作加上一个BL=4的写入操作来合成一个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。而且需要指出的是，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）。
寻址时序（Timing）改变：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，且附加延迟（AL）的设计也有所变化。DDR2时AL的范围是0～4，而DDR3时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——写入延迟（CWD），这一参数将根据具体的工作频率而定。
新增重置（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业界很早以前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，所有内部的程序装置将复位，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达到最节省电力的目的。
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。、
两个参考电压：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，这将有效地提高系统数据总线的信噪等级。
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（Point-to-two-Point，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，也有标准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位构架的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、局部自刷新等其它一些功能，在功耗方面DDR3也要出色得多，因此，它可能首先受到移动设备的欢迎，就像最先迎接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也预计同时在K9平台上支持DDR2及DDR3两种规格。

3.2 硬件设计

达芬奇板载的DDR3 SDRAM电路图如下，可以当作DDR3硬件设计的一个参考示例：
请添加图片描述

3.3 读写时序

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3.4 MIG IP核设计

MIG（Memory Interface Generate）是Xilinx Vivado自带的一个IP核，它的结构以及连接关系如下图所示。可以看到，MIG IP核相当于一个连接FPGA用户逻辑和DDR3存储器的桥梁。用户仅需要关心左侧的用户接口的定义和时序即可。
在这里插入图片描述

在IP Catalog中搜索mig，即可找到MIG IP核。
开始配置MIG，首先配置下列信息
选择是否兼容其他型号的FPGA（本次实验不需要）
选择DDR3控制器
配置时钟选项。包括器件时钟、器件时钟与用户时钟的比率（本次实验器件时钟为400MHz，用户时钟为100MHz）。Vccaux_io是一个与MIG性能有关的电压，本次实验同样保持默认。
配置存储器选项、ECC和数据屏蔽。Memory Type选择Components；存储芯片只能选择美光（MT）的器件，具体的存储芯片型号要和实际的存储大小一致（达芬奇开发板保证设置为128M16即可）。ECC选项只有当数据位宽达到72位才可以开启。数据屏蔽功能本实验没有用到，这里开启或关闭对本次实验没有影响。
Bank Machine的数量决定了MIG的性能，但相对的，使用过多也会增大芯片内部的逻辑资源消耗，一般选择一个适中的数值。ORDERING规定是否允许MIG对指令进行重排序，在这里选择开启。
配置输入时钟频率（在这里为200MHz，有可能会出现Bug，选择为200MHz后打开依然是400MHz）、突发类型选择（这里选择顺序突发）、输出阻抗控制（默认选择RZQ/7）、终结电阻控制（默认选择RZQ/4）、片选信号输出使能（是否将#CS信号引出，选择Enable）、寻址模式（颠倒Bank和行的寻址次序可以提高效率，连续地址可以并行处理）
配置FPGA内部相关信息。
阻抗匹配设置，这里保持默认。
引脚模式设置
设置引脚。可以事先写好.xdc文件，再导入直接读取引脚电平设置，点击Validate使引脚设置生效即可。
之后的选项均为总结页面，协议声明等，全部保持默认即可。

3.5 读写代码设计

ddr3_rw_top.v

module ddr3_rw_top(input                 sys_clk,        // 系统时钟input                 sys_rst_n,      // 复位,低有效// DDR3inout   [31:0]        ddr3_dq      ,  // DDR3 数据inout   [3:0]         ddr3_dqs_n   ,  // DDR3 dqs负inout   [3:0]         ddr3_dqs_p   ,  // DDR3 dqs正output  [13:0]        ddr3_addr    ,  // DDR3 地址output  [2:0]         ddr3_ba      ,  // DDR3 banck 选择output                ddr3_ras_n   ,  // DDR3 行选择output                ddr3_cas_n   ,  // DDR3 列选择output                ddr3_we_n    ,  // DDR3 读写选择output                ddr3_reset_n ,  // DDR3 复位output  [0:0]         ddr3_ck_p    ,  // DDR3 时钟正output  [0:0]         ddr3_ck_n    ,  // DDR3 时钟负output  [0:0]         ddr3_cke     ,  // DDR3 时钟使能output  [0:0]         ddr3_cs_n    ,  // DDR3 片选output  [3:0]         ddr3_dm      ,  // DDR3_dmoutput  [0:0]         ddr3_odt     ,  // DDR3_odt//用户output                 led             // 错误指示信号);// wire definewire                  error_flag;wire                  ui_clk ;             // 用户时钟wire [27:0]           app_addr;            // DDR3 地址wire [2:0]            app_cmd;             // 用户读写命令wire                  app_en;              // MIG IP核使能wire                  app_rdy;             // MIG IP核空闲wire [255:0]          app_rd_data;         // 用户读数据wire                  app_rd_data_end;     // 突发读当前时钟最后一个数据wire                  app_rd_data_valid;   // 读数据有效wire [255:0]          app_wdf_data;        // 用户写数据wire                  app_wdf_end;         // 突发写当前时钟最后一个数据wire [31:0]           app_wdf_mask;        // 写数据屏蔽wire                  app_wdf_rdy;         // 写空闲wire                  app_sr_active;       // 保留wire                  app_ref_ack;         // 刷新请求wire                  app_zq_ack;          // ZQ 校准请求wire                  app_wdf_wren;        // DDR3 写使能wire                  locked;              // 锁相环频率稳定标志wire                  clk_ref_i;           // DDR3参考时钟wire                  sys_clk_i;           // MIG IP核输入时钟wire                  clk_200;             // 200M时钟wire                  ui_clk_sync_rst;     // 用户复位信号wire                  init_calib_complete; // 校准完成信号//*****************************************************//**                    main code//*****************************************************//读写模块ddr3_rw u_ddr3_rw(.ui_clk               (ui_clk),.ui_clk_sync_rst      (ui_clk_sync_rst),.init_calib_complete  (init_calib_complete),.app_rdy              (app_rdy),.app_wdf_rdy          (app_wdf_rdy),.app_rd_data_valid    (app_rd_data_valid),.app_rd_data          (app_rd_data),.app_addr             (app_addr),.app_en               (app_en),.app_wdf_wren         (app_wdf_wren),.app_wdf_end          (app_wdf_end),.app_cmd              (app_cmd),.app_wdf_data         (app_wdf_data),.state                (state),.rd_addr_cnt          (rd_addr_cnt),.wr_addr_cnt          (wr_addr_cnt),.rd_cnt               (rd_cnt),.error_flag           (error_flag),.led                  (led));// MIG IP核模块mig_7series_0 u_mig_7series_0 (// Memory interface ports.ddr3_addr                      (ddr3_addr),   // output [14:0]	ddr3_addr.ddr3_ba                        (ddr3_ba),     // output [2:0]	ddr3_ba.ddr3_cas_n                     (ddr3_cas_n),  // output		ddr3_cas_n.ddr3_ck_n                      (ddr3_ck_n),   // output [0:0]	ddr3_ck_n.ddr3_ck_p                      (ddr3_ck_p),   // output [0:0]	ddr3_ck_p.ddr3_cke                       (ddr3_cke),    // output [0:0]	ddr3_cke.ddr3_ras_n                     (ddr3_ras_n),  // output		ddr3_ras_n.ddr3_reset_n                   (ddr3_reset_n),// output		ddr3_reset_n.ddr3_we_n                      (ddr3_we_n),   // output		ddr3_we_n.ddr3_dq                        (ddr3_dq),     // inout [31:0]	ddr3_dq.ddr3_dqs_n                     (ddr3_dqs_n),  // inout [3:0]	ddr3_dqs_n.ddr3_dqs_p                     (ddr3_dqs_p),  // inout [3:0]	ddr3_dqs_p.init_calib_complete            (init_calib_complete),// init_calib_complete.ddr3_cs_n                      (ddr3_cs_n),   // output [0:0]	ddr3_cs_n.ddr3_dm                        (ddr3_dm),     // output [3:0]	ddr3_dm.ddr3_odt                       (ddr3_odt),    // output [0:0]	ddr3_odt// Application interface ports.app_addr                       (app_addr),    // input [28:0]	app_addr.app_cmd                        (app_cmd),     // input [2:0]	app_cmd.app_en                         (app_en),      // input			app_en.app_wdf_data                   (app_wdf_data),// input [255:0] app_wdf_data.app_wdf_end                    (app_wdf_end), // input         app_wdf_end.app_wdf_wren                   (app_wdf_wren),// input	        app_wdf_wren.app_rd_data                    (app_rd_data), // output [255:0]app_rd_data.app_rd_data_end                (app_rd_data_end),// output	    app_rd_data_end.app_rd_data_valid              (app_rd_data_valid),// output	    app_rd_data_valid.app_rdy                        (app_rdy),     // output	    app_rdy.app_wdf_rdy                    (app_wdf_rdy), // output	    app_wdf_rdy.app_sr_req                     (),            // input	        app_sr_req.app_ref_req                    (),            // input	        app_ref_req.app_zq_req                     (),            // input	        app_zq_req.app_sr_active                  (app_sr_active),// output	    app_sr_active.app_ref_ack                    (app_ref_ack),  // output	    app_ref_ack.app_zq_ack                     (app_zq_ack),   // output	    app_zq_ack.ui_clk                         (ui_clk),       // output	    ui_clk.ui_clk_sync_rst                (ui_clk_sync_rst),// output       ui_clk_sync_rst.app_wdf_mask                   (32'b0),        // input [31:0]	app_wdf_mask// System Clock Ports.sys_clk_i                      (clk_200),// Reference Clock Ports.clk_ref_i                      (clk_200),.sys_rst                        (sys_rst_n)     // input         sys_rst);//PLL模块clk_wiz_0 u_clk_wiz_0 (// Clock out ports.clk_out1(clk_200),     // output clk_out1.clk_out2(clk_50),// Status and control signals.reset(1'b0),           // input resetn.locked(locked),        // output locked// Clock in ports.clk_in1(sys_clk));                      // input clk_in1endmodule

ddr3_rw.v

module ddr3_rw (input                    ui_clk,                //用户时钟input                    ui_clk_sync_rst,       //复位,高有效input                    init_calib_complete,   //DDR3初始化完成input                    app_rdy,               //MIG 命令接收准备好标致input                    app_wdf_rdy,           //MIG数据接收准备好input                    app_rd_data_valid,     //读数据有效input          [255:0]   app_rd_data,           //用户读数据output reg     [27:0]    app_addr,              //DDR3地址output                   app_en,                //MIG IP发送命令使能output                   app_wdf_wren,          //用户写数据使能output                   app_wdf_end,           //突发写当前时钟最后一个数据output         [2:0]     app_cmd,               //MIG IP核操作命令，读或者写output reg     [255:0]   app_wdf_data,          //用户写数据output reg     [1 :0]    state,                 //读写状态output reg     [23:0]    rd_addr_cnt,           //用户读地址计数output reg     [23:0]    wr_addr_cnt,           //用户写地址计数output reg     [20:0]    rd_cnt,                //实际读地址标记output reg               error_flag,            //读写错误标志output reg               led                    //读写测试结果指示灯);//parameter defineparameter  TEST_LENGTH = 1000;parameter  L_TIME = 25'd25_000_000;parameter  IDLE        = 2'd0;            //空闲状态parameter  WRITE       = 2'd1;            //写状态parameter  WAIT        = 2'd2;            //读到写过度等待parameter  READ        = 2'd3;            //读状态//reg definereg  [24:0]  led_cnt;    //led计数//wire definewire         error;     //读写错误标记wire         rst_n;     //复位，低有效//*****************************************************//**                    main code//*****************************************************assign rst_n = ~ui_clk_sync_rst;//读信号有效，且读出的数不是写入的数时，将错误标志位拉高assign error = (app_rd_data_valid && (rd_cnt!=app_rd_data));//在写状态MIG IP 命令接收和数据接收都准备好,或者在读状态命令接收准备好，此时拉高使能信号，assign app_en = ((state == WRITE && (app_rdy && app_wdf_rdy))||(state == READ && app_rdy)) ? 1'b1:1'b0;//在写状态,命令接收和数据接收都准备好，此时拉高写使能assign app_wdf_wren = (state == WRITE && (app_rdy && app_wdf_rdy)) ? 1'b1:1'b0;//由于DDR3芯片时钟和用户时钟的分频选择4:1，突发长度为8，故两个信号相同assign app_wdf_end = app_wdf_wren;//处于读的时候命令值为1，其他时候命令值为0assign app_cmd = (state == READ) ? 3'd1 :3'd0;//DDR3读写逻辑实现always @(posedge ui_clk or negedge rst_n)beginif((~rst_n)||(error_flag))beginstate    <= IDLE;app_wdf_data <= 128'd0;wr_addr_cnt  <= 24'd0;rd_addr_cnt  <= 24'd0;app_addr     <= 28'd0;endelse if(init_calib_complete)begin               //MIG IP核初始化完成case(state)IDLE:beginstate <= WRITE;app_wdf_data <= 256'd0;wr_addr_cnt  <= 24'd0;rd_addr_cnt  <= 24'd0;app_addr     <= 28'd0;endWRITE:beginif(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app_wdf_data <= app_wdf_data + 1;  //写数据自加wr_addr_cnt  <= wr_addr_cnt + 1;   //写地址自加app_addr     <= app_addr + 8;      //DDR3 地址加8endelsebegin                             //写条件不满足，保持当前值app_wdf_data <= app_wdf_data;wr_addr_cnt  <= wr_addr_cnt;app_addr     <= app_addr;endendWAIT:beginstate   <= READ;                     //下一个时钟，跳到读状态rd_addr_cnt <= 24'd0;                //读地址复位app_addr    <= 28'd0;                //DDR3读从地址0开始endREAD: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已经准备好,则开始读rd_addr_cnt <= rd_addr_cnt + 1'd1; //用户地址每次加一app_addr    <= app_addr + 8;       //DDR3地址加8endelsebegin                             //若MIG没准备好,则保持原值rd_addr_cnt <= rd_addr_cnt;app_addr    <= app_addr;endenddefault:beginstate    <= IDLE;app_wdf_data <= 256'd0;wr_addr_cnt  <= 24'd0;rd_addr_cnt  <= 24'd0;app_addr     <= 28'd0;endendcaseendend//对DDR3实际读数据个数编号计数always @(posedge ui_clk or negedge rst_n)beginif(~rst_n)rd_cnt  <= 0;              //若计数到读写长度，且读有效，地址计数器则置0else 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1else if (app_rd_data_valid )rd_cnt <= rd_cnt + 1;end//寄存状态标志位always @(posedge ui_clk or negedge rst_n)beginif(~rst_n)error_flag <= 0;else if(error)error_flag <= 1;end//led指示效果控制always @(posedge ui_clk or negedge rst_n)beginif((~rst_n) || (~init_calib_complete ))beginled_cnt <= 25'd0;led <= 1'b0;endelsebeginif(~error_flag)                        //读写测试正确led <= 1'b1;                       //led灯常亮elsebegin                            //读写测试错误led_cnt <= led_cnt + 25'd1;if(led_cnt == L_TIME - 1'b1)beginled_cnt <= 25'd0;led <= ~led;                      //led灯闪烁endendendendendmodule