FPGA DDR4讀寫(xiě)實(shí)驗(yàn)

DDR4 SDRAM（Double-Data-Rate Fourth Generation Synchronous Dynamic Random Access Memory，簡(jiǎn)稱為 DDR4 SDRAM），是一種高速動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，它屬于 SDRAM 家族的存儲(chǔ)器產(chǎn)品，提供了相較于 DDR3 SDRAM 更高的運(yùn)行性能與更低的電壓，并被廣泛的應(yīng)用于計(jì)算機(jī)的運(yùn)行緩存。

1 DDR4 介紹

DDR4 芯片的行地址是 16bit 位寬，列地址是 10bit 位寬，而整個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域分為兩個(gè) BANK 組，每個(gè) BANK 組又由 4 個(gè)子 BANK 組成，所以整片 DDR4 的容量就是2^16*2^10*8*16bit=512M*16bit。DDR4 相較于 DDR3 在指令引腳上也發(fā)生了變化，DDR4 取消了我們所熟悉的使能 WE、列激活 CAS 和行激活 RAS 這三個(gè)命令引腳，而是將這三個(gè)命令引腳和地址線 A14、A15 以及 A16 復(fù)用了。除此之外在尋址的時(shí)候也不再是直接去尋址 BANK，而是先尋址 BANK 組，然后再找到這個(gè) BANK 組中的某個(gè)子 BANK。整個(gè)數(shù)據(jù)的吞吐是 8 倍預(yù)取，因此用戶端數(shù)據(jù)在讀寫(xiě)的時(shí)候就是16bit*8=128bit 的數(shù)據(jù)量進(jìn)行吞吐（注意雖然是 8 倍預(yù)取，但是每一次 IO 引腳上的數(shù)據(jù)傳輸依舊是 16bit，因?yàn)閿?shù)據(jù)線就 16 根，至于為何可以達(dá)到 8 倍預(yù)取和 DDR4 內(nèi)部的雙沿采樣，F(xiàn)IFO 緩沖，寫(xiě)數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)有關(guān)）。

2 MIG  IP介紹

MIG IP 核是 Xilinx 公司針對(duì) DDR 存儲(chǔ)器開(kāi)發(fā)的 IP，里面集成存儲(chǔ)器控制模塊，實(shí)現(xiàn) DDR 讀寫(xiě)操作的控制流程，下圖是 MIG IP 核結(jié)構(gòu)框圖。MIG IP 核對(duì)外分出了兩組接口，左側(cè)是用戶接口，就是用戶（FPGA）同 MIG 交互的接口，用戶只有充分掌握了這些接口才能操作 MIG；右側(cè)為 DDR 物理芯片接口，負(fù)責(zé)產(chǎn)生具體的操作時(shí)序，并直接操作芯片管腳，這一側(cè)用戶只負(fù)責(zé)分配正確的管腳，其他不用關(guān)心。

DDR4 的讀或者寫(xiě)都包含寫(xiě)命令操作，其中寫(xiě)操作命令（app_cmd）的值等于 0，讀操作 app_cmd 的值等于 1。首先來(lái)看寫(xiě)命令時(shí)序，如下圖所示。首先檢查 app_rdy，為高則表明此時(shí) IP 核命令接收處于準(zhǔn)備好狀態(tài)，可以接收用戶命令，在當(dāng)前時(shí)鐘拉高 app_en，同時(shí)發(fā)送命令（app_cmd）和地址（app_addr），此時(shí)命令和地址被寫(xiě)入。

寫(xiě)數(shù)據(jù)的時(shí)序

寫(xiě)數(shù)據(jù)有三種情形均可以正確寫(xiě)入：

（1）寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)序和寫(xiě)命令時(shí)序發(fā)生在同一拍；

（2）寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)序比寫(xiě)命令時(shí)序提前一拍；

（3）寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)序比寫(xiě)命令時(shí)序至多延遲晚兩拍；

寫(xiě)時(shí)序總結(jié)如下：首先需要檢查 app_wdf_rdy，該信號(hào)為高表明此時(shí) IP 核數(shù)據(jù)接收處于準(zhǔn)備完成狀態(tài)，可以接收用戶發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，在當(dāng)前時(shí)鐘拉高寫(xiě)使能（app_wdf_wren），給出寫(xiě)數(shù)據(jù)（app_wdf_data）。這樣加上發(fā)起的寫(xiě)命令操作就可以成功向 IP 核寫(xiě)數(shù)據(jù)。這里有一個(gè)信號(hào) app_wdf_mask，它是用來(lái)屏蔽寫(xiě)入數(shù)據(jù)的，該信號(hào)為高則屏蔽相應(yīng)的字節(jié)，該信號(hào)為 0 默認(rèn)不屏蔽任何字節(jié)。

對(duì)于背靠背寫(xiě)，其實(shí)也有三種情形，唯一點(diǎn)不同的是，它沒(méi)有最大延遲限制。

接著來(lái)看讀數(shù)據(jù)

讀時(shí)序比較簡(jiǎn)單，發(fā)出讀命令后，用戶只需等待數(shù)據(jù)有效信號(hào)（app_rd_data_valid）拉高，為高表明此時(shí)數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)是有效的返回?cái)?shù)據(jù)。需要注意的是，在發(fā)出讀命令后，有效讀數(shù)據(jù)要晚若干周期才出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上。下面是背靠背讀的情況。

需要注意的是，在連續(xù)讀的時(shí)候，讀到的數(shù)據(jù)順序跟請(qǐng)求的命令/地址是相對(duì)應(yīng)的。通常使用 DDR4 的時(shí)候，為了最大限度地提高 DDR4 效能，充分利用突發(fā)寫(xiě)的特點(diǎn)，非背靠背很少用，而更多地采用背靠背操作。

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