MIG IP控制DDR3读写测试

　　本文设计思想采用明德扬至简设计法。在高速信号处理场合下，很短时间内就要缓存大量的数据，这时片内存储资源已经远远不够了。DDR SDRAM因其极高的性价比几乎是每一款中高档FPGA开发板的首选外部存储芯片。DDR操作时序非常复杂，之所以在FPGA开发中用途如此广泛，都要得意于MIG IP核。网上关于MIG控制DDR的资料很多，因此本文只讲述个人认为较重要的内容。由于MIG IP核用户接口时序较复杂，这里给出扩展接口模块用于进一步简化接口时序。

　　先来看看MIG IP核的架构：

　　了解下存储芯片侧重要接口：

　　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 　　　　　　　　  差分时钟

　　ddr_dm　　　　　　　　　　　　   数据输入屏蔽

　　ddr_o_dt　　　　　　　　　　　　片上终端使能，用于使能和禁止片内终端电阻

　　ddr_reset_n　　　　　　　　　　   DDR3复位

　　ddr_dqs ddr_dqs_n　　　　　　　  数据同步信号

　　ddr_dq　　　　　　　　　　　　    传输数据

　　之后我们从IP核配置开始说起。Controller Options这页最为重要，其中包括时钟策略和外部DDR芯片参数配置。首先时钟周期选择为400MHz，此时PHY to Controller Clock Ratio只能是4:1，也就是说MIG用户侧时钟为100MHz。下半部分是选择合适的DDR芯片型号和参数，要再三确认无误。

 　　Memory Options这页输入时钟周期选择为200MHz，根据Controller Options页的选项，该时钟经过PLL分频和倍频后的时钟分别作为用户侧时钟100MHz和DDR接口时钟400MHz。

 　　这里有个参考时钟选项，如果Memory Options页PLL输入时钟频率选为200MHz，此处可以直接选择Use System Clock，从而简化接口。

　　以上是MIG IP核配置过程中较为重要的部分，实际上上述配置也可通过修改工程代码中参数来重定义。IP核配置完成，打开example design工程顶层文件，我们来重点关注下用户侧接口功能和时序。

　　这是本人写的注释，更具体清晰的说明还是要查看官方文档UG586.接下来看看写数据和读数据的接口时序图（时钟比例4:1，burst length = 8为例）：

　　指令通道：

　　写数据：

　　从时序图可以看出，指令地址和数据使用两套时序，彼此相互独立。为了便于设计，直接将两套时序严格对齐（情况1）也可以正常工作。

　　读数据：

　　为什么说“时钟比例4:1，burst length = 8为例”？这一点特别关键。此时用户时钟周期是DDR接口时钟周期的4倍，也就是一个用户时钟信号上升沿对应8个DDR时钟边沿。burst length可以理解为MIG连续操作DDR地址的个数，故在4:1时钟比例下，一个用户时钟周期正好对8个地址进行了读/写操作，256bit数据分8次（32bit）写入DDR中。由此分析，在写数据时让app_wdf_end = app_wdf_wren即可，并且读/写操作时地址递增步长为8.

　　虽然MIG IP核提供了用户接口，但读写指令通道复用且需要实时关注两个rdy信号造成了时序操作上的不方便。为此我们需要对接口进一步封装，保证写操作时只关注：写使能user_wdata_en 写地址user_waddr 写数据user_wdata和写准备就绪信号user_wdata_rdy，读操作时只关注：读使能user_rdata_en 读地址user_raddr 读数据user_rdata 读数据有效user_rdata_vld和读操作准备就绪user_rdata_rdy。

　　利用扩展接口模块，将读通道和写通道接口分离，并分别例化一个FIFO缓存地址和数据。当读/写指令同时有效时，通过MIG侧的优先级轮换逻辑轮流读取其中一个FIFO，每次选一个FIFO读取直至FIFO为空再重新选择。其工程结构和核心代码如下：

　　读侧逻辑核心代码：

//读侧--------------------------------------------------------------

always @(posedge clk or negedge rst_n )begin 
    if(rst_n==0) begin
        rd_flag <= (0)  ;
    end
    else if(rd_flag == 0 && mig_rdy && mig_wdf_rdy && !rdempty1 && (rdempty0 || (!rdempty0 && priority == 0)))begin
        rd_flag <= (2'b01)  ;//读取 写指令FIFO
    end 
    else if(rd_flag == 0 && mig_rdy && !rdempty0 && (rdempty1 || (!rdempty1 && priority == 1)))begin
        rd_flag <= (2'b10)  ;//读取 读指令FIFO
    end 
    else if((rd_flag == 2'b01 && rdempty1)||(rd_flag == 2'b10 && rdempty0))
        rd_flag <= 0;
end

//同时非空时轮换优先级
always @(posedge clk or negedge rst_n )begin 
    if(rst_n==0) begin
        priority <= (0)  ;
    end
    else if(rd_flag == 0 && !rdempty0 && !rdempty1)begin
        priority <= (!priority)  ;
    end 
end

　　为了方便测试，设计样式生成模块与扩展接口模块用户侧连接，不断向一段地址写入固定数据序列并在一段时间后读回。

`timescale 1ns / 1ps
/*
该模块功能：
周期性向一段地址执行读写操作 产生固定样式待写入数据用户测试目的
测试完毕后删除该模块，开发用户接口

具体为：
1 写从0开始之后的10个用户地址（80个DDR地址）：0~9递增序列
2 等待20个时钟周期
3 读取写入的10个用户地址
4 等待20个时钟周期
5 重复上述步骤

说明：
1 每个步骤之间有一个时钟周期空闲
2 由于burst_len = 8 4:1时钟模式下一个用户时钟周期写入数据对应同样时间内8个DDR时钟边沿写入数据，
因此地址递增步长为8
*/
module traffic_gen
#(parameter DATA_WIDTH = 32,
            ADDR_WIDTH = 29)
(
    input                           clk   ,
    input                           rst_n ,

    output reg                      gen_wdata_en ,
    output reg [ ADDR_WIDTH-1:0]    gen_waddr    ,
    output reg [ DATA_WIDTH-1:0]    gen_wdata ,
    input                           gen_wdata_rdy ,//写指令和数据通道准备就绪

    output reg                      gen_rdata_en ,
    output reg [ ADDR_WIDTH-1:0]    gen_raddr    ,
    input      [ DATA_WIDTH-1:0]    gen_rdata     ,
    input                           gen_rdata_vld ,
    input                           gen_rdata_rdy //读指令通道准备就绪
);

   
reg [ (8-1):0]  cnt0     ;
wire        add_cnt0 ;
wire        end_cnt0 ;
reg [ (2-1):0]  cnt1     ;
wire        add_cnt1 ;
wire        end_cnt1 ;

reg [ DATA_WIDTH-1:0]  gen_rdata_r     ;
reg   gen_rdata_vld_r     ;
reg    com_flag     ;

wire wri_state;
wire rd_state;
wire com_change_t;

//操作周期计数器，计数值为欲操作用户地址段长度+1（需要一个时钟周期空闲）
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin 
    if (rst_n==0) begin
        cnt0 <= 0; 
    end
    else if(add_cnt0) begin
        if(end_cnt0)
            cnt0 <= 0; 
        else
            cnt0 <= cnt0+1 ;
   end
end
assign add_cnt0 = (com_flag == 0 && gen_wdata_rdy) || (com_flag == 1 && gen_rdata_rdy);
assign end_cnt0 = add_cnt0  && cnt0 == (30)-1 ;

//指令标志位 先是0--写 再是1--读
always @(posedge clk or negedge rst_n )begin 
    if(rst_n==0) begin
        com_flag <= (0)  ;
    end
    else if(com_change_t)begin
        com_flag <= (!com_flag)  ;
    end 
end

assign com_change_t = add_cnt0 && cnt0 == 10 - 1;

//写操作---------------------------------------------
always @(posedge clk or negedge rst_n )begin 
    if(rst_n==0) begin
        gen_wdata_en <= (0)  ;
    end
    else if(wri_state)begin
        gen_wdata_en <= (1'b1)  ;
    end 
    else begin
        gen_wdata_en <= (0)  ;
    end 
end

assign wri_state = add_cnt0 && cnt0 <= 10-1 && com_flag == 0;
assign rd_state  = add_cnt0 && cnt0 <= 10-1 && com_flag == 1;

always @(posedge clk or negedge rst_n )begin 
    if(rst_n==0) begin
        gen_wdata <= (0)  ;
    end
    else begin
        gen_wdata <= (cnt0)  ;
    end 
end

always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(rst_n == 0)
        gen_waddr <= 0;
    else if(wri_state)
        gen_waddr <= gen_waddr + 29'd8;
    else 
        gen_waddr <= 0;
end
//读操作----------------------------------------------

always @(posedge clk or negedge rst_n )begin 
    if(rst_n==0) begin
        gen_rdata_en <= (0)  ;
    end
    else if(rd_state)begin
        gen_rdata_en <= (1'b1)  ;
    end 
    else begin
        gen_rdata_en <= (0)  ;
    end 
end

always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(rst_n == 0)
        gen_raddr <= 0;
    else if(rd_state)
        gen_raddr <= gen_raddr + 29'd8;
    else 
        gen_raddr <= 0;
end

always @(posedge clk or negedge rst_n )begin 
    if(rst_n==0) begin
        gen_rdata_r <= (0)  ;
    end
    else begin
        gen_rdata_r <= (gen_rdata)  ;
    end 
end

always @(posedge clk or negedge rst_n )begin 
    if(rst_n==0) begin
        gen_rdata_vld_r <= (0)  ;
    end
    else if(gen_rdata_vld)begin
        gen_rdata_vld_r <= (1'b1)  ;
    end 
    else begin
        gen_rdata_vld_r <= (0)  ;
    end 
end

endmodule

 　　将traffic_gen和extend_interface模块例化在MIG的example design中，利用ILA抓取MIG IP核用户接口信号。

 

 

　　向地址8~80写入数据0~9，再从此段地址中读回数据，0~9被正确读出，MIG IP核控制DDR3读写测试完毕。