基于FPGA的一種DDR4存儲模塊設計

0   引言

隨著通信技術的不斷發(fā)展，5G 技術作為當前新一代通信的熱點技術將面臨很多研究課題，除了要傳輸低速率、小帶寬數據外，還需要分析高速率、大帶寬數據，分析帶寬從100 MHz 提高到1 GHz，甚至更高帶寬。當前最大的難題就是5G 高速率的傳輸將會導致信號的帶寬變大，因此對這些高速率的數據流進行實時處理將變得更加困難^[1]。伴隨著數字化的高速發(fā)展，目前存儲是大容量數據存儲系統(tǒng)的核心部分，甚至會影響到系統(tǒng)的性能。DDR最大的特點就是傳輸速率是時鐘的兩倍，數據同時在上升沿和下降沿同時采樣^[2]。本文提出一種基于DDR4 SDRAM 的高速數據緩存技術，主控器選用Xilinx 公司XCVU9P 系列FPGA 芯片，數據緩存器選用MT40A512M16HA-083E，通過對DDR4 SDRAM 的存儲尋址原理及DDR4 IP 核的讀寫控制邏輯的研究，實現了在250 MHz 的時鐘下，DDR4SDRAM 能夠正常進行讀寫操作。經過測試驗證，讀寫數據正常，無數據丟失。

1   整體設計方案

整體設計方案使用模塊化，主要包括光口傳輸模塊、DDR4 存儲模塊、SRIO 接口模塊。本設計主要對控制芯片FPGA 內部邏輯進行了優(yōu)化設計，其中包括DDR4控制器、不同時鐘域之間的數據緩存FIFO。整體方案傳輸流程如圖1 所示。

●   光口模塊：主要是接收采集模塊傳輸過來的數據。

●   DDR4 存儲模塊：用于緩存數據，由于SRIO 接口的數據傳輸速率慢，需要通過DDR4 存儲模塊先將高速數據存儲到DDR4 中，然后再通過SRIO 的時鐘將數據傳輸給SRIO 接口模塊。

●   SRIO 接口模塊：接收DDR4 讀出來的數據，然后傳輸給上位機進行測試分析。

2   DDR4 SDRAM內部結構

DDR4 SDRAM 是一種內部可配置高速動態(tài)隨機存儲器，其內部由多個Bank 組成，Bank 又是由很多行和列構成^[3]，DDR4 的尋址操作就是對行列地址進行操作。DDR4存儲器有幾個重要概念，即Bank、Bank Group及Page， 例如512Mx16 的8 Gb 容量的DDR4， 內部主要包括2 個Bank Group，每個Bank Group 包括4 個Bank[3]。每個Bank 是由多個Page 組成的，通過多Page地址去選擇相應的Page。

3   DDR4控制器模塊設計

DDR4 控制器模塊設計如圖2 所示，將控制器分為IDLE、WR-DELAY、DDR-WR_s、RD_DELAY 和DDR_RD_s 五個模塊。

●   IDLE：初始化狀態(tài)。主要對DDR4 內部的信號進行初始化。當收到rd_en_reg 和rd_dat_s_reg 信號同時有效時，將進入RD_DELAY 狀態(tài)；當收到wr_en_reg 信號有效時，進入WR_DELAY 狀態(tài)；如果在該狀態(tài)下沒有收到相應的有效信號將繼續(xù)保持該狀態(tài)。

●   WR-DELAY：寫等待狀態(tài)。當在此狀態(tài)下收到rd_en_reg 有效時將會跳到IDLE 狀態(tài)；在沒有收到rd_en_reg 有效時，根據條件app_bl_cnt >= WR_BURST_CNT 來判斷是否已經寫到規(guī)定的數據量，如果已經寫到規(guī)定的數據量，將繼續(xù)保持在該狀態(tài)，等待其他有效信號的到來，如果沒有寫到規(guī)定的數據量，判斷寫FIFO的wr_prog_empty 信號，如果wr_prog_empt 無效則跳轉到DDR_WR_S狀態(tài)，反之wr_prog_empt 有效， 則繼續(xù)在該狀態(tài)下等待有效信號到來。

● DDR_WR_s：寫狀態(tài)。此狀態(tài)主要是往DDR4 里寫數據，由于DDR4 IP 核內的Burst Length 設為了8[4]，所以根據條件ddr_cnt ==WR_BURST_NUM 來判斷，當ddr_cnt 計數到了WR_BURST_NUM 的值時，會跳轉到WR-DELAY 狀態(tài)，如果沒有計數到WR_BURST_NUM 的值，則繼續(xù)保持在該狀態(tài)。

● RD_DELAY：讀等待狀態(tài)。當在此狀態(tài)下收到wr_en_reg 有效時將會跳轉到IDLE 狀態(tài)；在沒有收到wr_en_reg 有效時，根據讀FIFO 的rd_prog_full 信號來判斷，如果rd_prog_full 有效時則繼續(xù)在該狀態(tài)下等待，若無效則根據條件app_bl_cnt >= RD_BURST_CNT 來判斷，如果計數達到了設定的讀數據量，則會跳轉到IDLE 狀態(tài)，若沒有到達設定的讀數據量，則跳轉到DDR_RD_s 狀態(tài)。

● DDR_RD_s：讀狀態(tài)。此狀態(tài)主要是將DDR4里的數據往外讀，根據條件ddr_cnt >= RD_BURST_CNT 來判斷，當計數達到設定的讀數據量時則會跳轉到IDLE 狀態(tài)，如果沒有達到設定的讀數據量，且讀FIFO 的rd_prog_full 信號有效，則會繼續(xù)在該狀態(tài)下讀取DDR4 里的數據。

4   仿真驗證

采用Vivado 2018.3 軟件，其中FPGA 芯片型號為XCVU9P-flga2104-1-i，進行開發(fā)板上驗證。在光口模塊產生一組遞增數，通過光口將數據發(fā)送給DDR4 存儲模塊。通過在ILA 抓取相應的信號來觀察DDR4。圖3 是通過ILA 抓取的DDR4 內部信號狀態(tài)圖^[5]。

圖3 DDR4寫狀態(tài)1

通過圖3 可以看出，一開始DDR4 處于初始化狀態(tài)，當wr_en_reg 變成高電平時，state 跳轉到WR_DELAY狀態(tài)；當wr_prog_empty 變成低電平時，state 跳轉到DDR_WR_s 狀態(tài)。之后，當app_bl_cnt 計數到96250時，state 跳轉到WR_DELAY；如果對寫數據部分放大，可以看出數據是遞增數；當rd_en_reg 和rd_dat_s_reg同時有效時，state 從IDLE 狀態(tài)跳轉到RD_DELAY 狀態(tài)，當rd_prog_full 為低電平時，且app_bl_cnt 未計數到RD_BURST_CNT， 這個state 從RD_DELAY 狀態(tài)跳轉到DDR_RD_s 狀態(tài)；當ddr_cnt 計數到768000 時，state 從DDR_RD_s 狀態(tài)跳轉到IDLE 狀態(tài)；圖4 是對讀數據部分放大，可以看出數據是正整數。

圖4 DDR4讀狀態(tài)3

5   結束語

本研究在Xilinx 公司的XCVU9P 系列FPGA 芯片上完成了DDR4 存儲模塊的讀寫狀態(tài)機的設計、代碼編寫以及驗證。使用其內部自帶的DDR4 SDRAM（MIG）IP 核進行例化核設計。經過開發(fā)板上驗證，實現在250 MHz 時鐘下對DDR4 SDRAM 的讀/ 寫操作，數據無丟失，能夠保證高速率、大帶寬數據正常傳輸，該傳輸機制具有良好的可靠性、適用性及有效性。

參考文獻：

[1] 袁行猛,陳亮,徐蘭天.基于CPRI協議的5G基帶數據傳輸技術的研究與實現[J].電子產品世界,2019,26(04):41-45+61.

[2] 張亞軍.實時頻譜儀的數字中頻處理設計與實現[D].成都:電子科技大學,2017.

[3] 汪繼友.一種特殊應用場景下的DDR4寫緩沖設計與驗證[D].合肥:安徽大學,2019.

[4] 蘇健淵.基于ARM+FPGA的多屏圖像顯示系統(tǒng)研究[D].西安:西安電子科技大學,2014.

[ 5 ] 武春鋒. 基于DDR4 SDRAM的光電圖像實時存儲技術研究[D].北京:中國科學院大學,2018.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年8月期）