MIG IP控制DDR3讀寫測試

　　本文設計思想採用明德揚至簡設計法。在高速信號處理場合下，很短期內就要緩存大量的數據，這時片內存儲資源已經遠遠不夠了。DDR SDRAM因其極高的性價比幾乎是每一款中高檔FPGA開發板的首選外部存儲芯片。DDR操做時序很是複雜，之因此在FPGA開發中用途如此普遍，都要得意於MIG IP核。網上關於MIG控制DDR的資料不少，所以本文只講述我的認爲較重要的內容。因爲MIG IP核用戶接口時序較複雜，這裏給出擴展接口模塊用於進一步簡化接口時序。

　　先來看看MIG IP核的架構：

 

　　瞭解下存儲芯片側重要接口：

　　ddr_addr 　　　　　　　　　　　　DDR3的行列地址

　　ddr_ba    　　　　　　　　　　　　DDR3的bank地址

　　ddr_cas_n ddr_ras_n ddr_we_n 　　命令控制

　　ddr_ck ddr_ck_n 　　　　　　　　  差分時鐘

　　ddr_dm　　　　　　　　　　　　   數據輸入屏蔽

　　ddr_o_dt　　　　　　　　　　　　片上終端使能，用於使能和禁止片內終端電阻

　　ddr_reset_n　　　　　　　　　　   DDR3復位

　　ddr_dqs ddr_dqs_n　　　　　　　  數據同步信號

　　ddr_dq　　　　　　　　　　　　    傳輸數據

　　以後咱們從IP核配置開始提及。Controller Options這頁最爲重要，其中包括時鐘策略和外部DDR芯片參數配置。首先時鐘週期選擇爲400MHz，此時PHY to Controller Clock Ratio只能是4:1，也就是說MIG用戶側時鐘爲100MHz。下半部分是選擇合適的DDR芯片型號和參數，要再三確認無誤。

 　　Memory Options這頁輸入時鐘週期選擇爲200MHz，根據Controller Options頁的選項，該時鐘通過PLL分頻和倍頻後的時鐘分別做爲用戶側時鐘100MHz和DDR接口時鐘400MHz。

 　　這裏有個參考時鐘選項，若是Memory Options頁PLL輸入時鐘頻率選爲200MHz，此處能夠直接選擇Use System Clock，從而簡化接口。

　　以上是MIG IP核配置過程當中較爲重要的部分，實際上上述配置也可經過修改工程代碼中參數來重定義。IP核配置完成，打開example design工程頂層文件，咱們來重點關注下用戶側接口功能和時序。

　　這是本人寫的註釋，更具體清晰的說明仍是要查看官方文檔UG586.接下來看看寫數據和讀數據的接口時序圖（時鐘比例4:1，burst length = 8爲例）：

　　指令通道：

　　寫數據：

 

　　從時序圖能夠看出，指令地址和數據使用兩套時序，彼此相互獨立。爲了便於設計，直接將兩套時序嚴格對齊（狀況1）也能夠正常工做。

　　讀數據：

 

　　爲何說「時鐘比例4:1，burst length = 8爲例」？這一點特別關鍵。此時用戶時鐘週期是DDR接口時鐘週期的4倍，也就是一個用戶時鐘信號上升沿對應8個DDR時鐘邊沿。burst length能夠理解爲MIG連續操做DDR地址的個數，故在4:1時鐘比例下，一個用戶時鐘週期正好對8個地址進行了讀/寫操做，256bit數據分8次（32bit）寫入DDR中。由此分析，在寫數據時讓app_wdf_end = app_wdf_wren便可，而且讀/寫操做時地址遞增步長爲8.

　　雖然MIG IP核提供了用戶接口，但讀寫指令通道複用且須要實時關注兩個rdy信號形成了時序操做上的不方便。爲此咱們須要對接口進一步封裝，保證寫操做時只關注：寫使能user_wdata_en 寫地址user_waddr 寫數據user_wdata和寫準備就緒信號user_wdata_rdy，讀操做時只關注：讀使能user_rdata_en 讀地址user_raddr 讀數據user_rdata 讀數據有效user_rdata_vld和讀操做準備就緒user_rdata_rdy。

　　利用擴展接口模塊，將讀通道和寫通道接口分離，並分別例化一個FIFO緩存地址和數據。當讀/寫指令同時有效時，經過MIG側的優先級輪換邏輯輪流讀取其中一個FIFO，每次選一個FIFO讀取直至FIFO爲空再從新選擇。其工程結構和核心代碼以下：

　　讀側邏輯核心代碼：

 1 //讀側--------------------------------------------------------------
 2 
 3 always @(posedge clk or negedge rst_n )begin 
 4     if(rst_n==0) begin
 5         rd_flag <= (0)  ;
 6     end
 7     else if(rd_flag == 0 && mig_rdy && mig_wdf_rdy && !rdempty1 && (rdempty0 || (!rdempty0 && priority == 0)))begin
 8         rd_flag <= (2'b01)  ;//讀取 寫指令FIFO
 9     end 
10     else if(rd_flag == 0 && mig_rdy && !rdempty0 && (rdempty1 || (!rdempty1 && priority == 1)))begin
11         rd_flag <= (2'b10)  ;//讀取 讀指令FIFO
12     end 
13     else if((rd_flag == 2'b01 && rdempty1)||(rd_flag == 2'b10 && rdempty0))
14         rd_flag <= 0;
15 end
16 
17 //同時非空時輪換優先級
18 always @(posedge clk or negedge rst_n )begin 
19     if(rst_n==0) begin
20         priority <= (0)  ;
21     end
22     else if(rd_flag == 0 && !rdempty0 && !rdempty1)begin
23         priority <= (!priority)  ;
24     end 
25 end

　　爲了方便測試，設計樣式生成模塊與擴展接口模塊用戶側鏈接，不斷向一段地址寫入固定數據序列並在一段時間後讀回。

  1 `timescale 1ns / 1ps
  2 /*
  3 該模塊功能：
  4 週期性向一段地址執行讀寫操做 產生固定樣式待寫入數據用戶測試目的
  5 測試完畢後刪除該模塊，開發用戶接口
  6 
  7 具體爲：
  8 1 寫從0開始以後的10個用戶地址（80個DDR地址）：0~9遞增序列
  9 2 等待20個時鐘週期
 10 3 讀取寫入的10個用戶地址
 11 4 等待20個時鐘週期
 12 5 重複上述步驟
 13 
 14 說明：
 15 1 每一個步驟之間有一個時鐘週期空閒
 16 2 因爲burst_len = 8 4:1時鐘模式下一個用戶時鐘週期寫入數據對應一樣時間內8個DDR時鐘邊沿寫入數據，
 17 所以地址遞增步長爲8
 18 */
 19 module traffic_gen
 20 #(parameter DATA_WIDTH = 32,
 21             ADDR_WIDTH = 29)
 22 (
 23     input                           clk   ,
 24     input                           rst_n ,
 25 
 26     output reg                      gen_wdata_en ,
 27     output reg [ ADDR_WIDTH-1:0]    gen_waddr    ,
 28     output reg [ DATA_WIDTH-1:0]    gen_wdata ,
 29     input                           gen_wdata_rdy ,//寫指令和數據通道準備就緒
 30 
 31     output reg                      gen_rdata_en ,
 32     output reg [ ADDR_WIDTH-1:0]    gen_raddr    ,
 33     input      [ DATA_WIDTH-1:0]    gen_rdata     ,
 34     input                           gen_rdata_vld ,
 35     input                           gen_rdata_rdy //讀指令通道準備就緒
 36 );
 37 
 38    
 39 reg [ (8-1):0]  cnt0     ;
 40 wire        add_cnt0 ;
 41 wire        end_cnt0 ;
 42 reg [ (2-1):0]  cnt1     ;
 43 wire        add_cnt1 ;
 44 wire        end_cnt1 ;
 45 
 46 reg [ DATA_WIDTH-1:0]  gen_rdata_r     ;
 47 reg   gen_rdata_vld_r     ;
 48 reg    com_flag     ;
 49 
 50 wire wri_state;
 51 wire rd_state;
 52 wire com_change_t;
 53 
 54 //操做週期計數器，計數值爲欲操做用戶地址段長度+1（須要一個時鐘週期空閒）
 55 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin 
 56     if (rst_n==0) begin
 57         cnt0 <= 0; 
 58     end
 59     else if(add_cnt0) begin
 60         if(end_cnt0)
 61             cnt0 <= 0; 
 62         else
 63             cnt0 <= cnt0+1 ;
 64    end
 65 end
 66 assign add_cnt0 = (com_flag == 0 && gen_wdata_rdy) || (com_flag == 1 && gen_rdata_rdy);
 67 assign end_cnt0 = add_cnt0  && cnt0 == (30)-1 ;
 68 
 69 //指令標誌位 先是0--寫 再是1--讀
 70 always @(posedge clk or negedge rst_n )begin 
 71     if(rst_n==0) begin
 72         com_flag <= (0)  ;
 73     end
 74     else if(com_change_t)begin
 75         com_flag <= (!com_flag)  ;
 76     end 
 77 end
 78 
 79 assign com_change_t = add_cnt0 && cnt0 == 10 - 1;
 80 
 81 //寫操做---------------------------------------------
 82 always @(posedge clk or negedge rst_n )begin 
 83     if(rst_n==0) begin
 84         gen_wdata_en <= (0)  ;
 85     end
 86     else if(wri_state)begin
 87         gen_wdata_en <= (1'b1)  ;
 88     end 
 89     else begin
 90         gen_wdata_en <= (0)  ;
 91     end 
 92 end
 93 
 94 assign wri_state = add_cnt0 && cnt0 <= 10-1 && com_flag == 0;
 95 assign rd_state  = add_cnt0 && cnt0 <= 10-1 && com_flag == 1;
 96 
 97 always @(posedge clk or negedge rst_n )begin 
 98     if(rst_n==0) begin
 99         gen_wdata <= (0)  ;
100     end
101     else begin
102         gen_wdata <= (cnt0)  ;
103     end 
104 end
105 
106 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
107     if(rst_n == 0)
108         gen_waddr <= 0;
109     else if(wri_state)
110         gen_waddr <= gen_waddr + 29'd8;
111     else 
112         gen_waddr <= 0;
113 end
114 //讀操做----------------------------------------------
115 
116 always @(posedge clk or negedge rst_n )begin 
117     if(rst_n==0) begin
118         gen_rdata_en <= (0)  ;
119     end
120     else if(rd_state)begin
121         gen_rdata_en <= (1'b1)  ;
122     end 
123     else begin
124         gen_rdata_en <= (0)  ;
125     end 
126 end
127 
128 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
129     if(rst_n == 0)
130         gen_raddr <= 0;
131     else if(rd_state)
132         gen_raddr <= gen_raddr + 29'd8;
133     else 
134         gen_raddr <= 0;
135 end
136 
137 always @(posedge clk or negedge rst_n )begin 
138     if(rst_n==0) begin
139         gen_rdata_r <= (0)  ;
140     end
141     else begin
142         gen_rdata_r <= (gen_rdata)  ;
143     end 
144 end
145 
146 always @(posedge clk or negedge rst_n )begin 
147     if(rst_n==0) begin
148         gen_rdata_vld_r <= (0)  ;
149     end
150     else if(gen_rdata_vld)begin
151         gen_rdata_vld_r <= (1'b1)  ;
152     end 
153     else begin
154         gen_rdata_vld_r <= (0)  ;
155     end 
156 end
157 
158 endmodule

 　　將traffic_gen和extend_interface模塊例化在MIG的example design中，利用ILA抓取MIG IP核用戶接口信號。

 

 

　　向地址8~80寫入數據0~9，再今後段地址中讀回數據，0~9被正確讀出，MIG IP核控制DDR3讀寫測試完畢。