进阶设计一（DDR3）——FPGA学习笔记＜？＞

一.简介

DDR3 SDRAM，以其单位存储量大、高数据带宽、读写速度快、价格相对便宜等优点吸引了大批客户，占领市场较大份额。同时，作为内存条中不可缺少的一部分，DDR3 SDRAM 在计算机领域也占有一席之地。

要掌握 DDR3 SDRAM 的基本概念、数据存取原理、操作命令以及操作时序等相关知识。在掌握 DDR3 SDRAM 的相关理论知识后，讲解 AXI4 接口，并且使用该接口配置 Xilinx 的 MIG IP 核，设计一个可进行读写操作的 DDR3 SDRAM 控制器，并上板验证。

1.DDR3 SDRAM基础概念

DDR3 SDRAM 英文全称 “ Double-Data-Rate Three Synchronous Dynamic Random Access Memory”，译为“第三代双倍速率同步动态随机存取内存”或“同步动态随机存储器”，是动态随机存储器(Dynamic Random Access Memory，简称 DRAM)的一类。同步、动态、随机是其性能特点的外在说明。

双倍速率(Double-Data-Rate)：DDR3 SDRAM 存储器与 SDRAM 有一个很大的不同， DDR3 SDRAM 或者说带 DDR 开头的。包括 DDR1、DDR2、DDR3、DDR4、DDR4，他们都有一个很大的相似点，就是双边沿输出输入数据，通俗来讲就是在一个周期内输出 2 次数据，上升沿输出一次数据，下降沿输出一次数据。而 SDRAM 则是在一个周期内的上升沿输出一次数据，下降沿不输出，所以同频率的 DDR3 SDRAM 与 SDRAM 相比速度快一倍。

同步(Synchronous)：与通常的异步 DRAM 不同，DDR3 SDRAM 存在一个同步接口，其工作时钟的时钟频率与对应控制器(CPU/FPGA)的时钟频率相同，并且 SDRAM 内部的命令发送与数据传输均以此时钟为基准，实现指令或数据的同步操作；

动态(Dynamic)：DDR3 SDRAM 需要不断的刷新来保证存储阵列内数据不丢失；

随机(Random)：数据在 DDR3 SDRAM 中并不是按照线性依次存储，而是可以自由指定地址进行数据的读写。

第一代 SDR SDRAM 采用单端时钟信号，SDRAM 只在时钟的上升沿进行数据采样；而后面的四代 SDRAM 由于工作频率比较快，所以采用可降低干扰的差分时钟信号作为同步时钟，双沿采样，速度更快，且功耗更低。同时技术的不断发展、制造工艺的不断提高，使得五代 SDRAM 的更新过程中，集成度越来越高、内核电压越来越低(SDR:3.3V、 DDR:2.5V、DDR2:1.8V、DDR3:1.5V、DDR4:1.2V)，这也是 SDRAM 速度提高、功耗降低的重要原因。

由于 DDR3 SDRAM 需要不断刷新来保证数据的可靠性，以及行列地址线分时复用等原因，使其对操作时序的要求较为严格，进而导致控制逻辑较为复杂。

2.DDR3 SDRAM存取原理

对于 DDR3 SDRAM，我们将类比于单元格的存储空间称之为存储单元，N(行列个数乘积)个存储单元构成一个存储阵列，这个存储阵列我们称之为一个逻辑Bank(LogicalBank）简称 L-Bank、Bank)。DDR3 SDRAM 内部并不是一个全容量的 L-Bank，而是分割为若干个 L-Bank，目前大多为 4 个。若干 L-Bank 的分割，原因有二，一是技术、成本等诸多因素；二是由于 DDR3 SDRAM 的工作原理限制，单一 L-Bank 可能会造成非常严重的寻址冲突，大幅度降低内存效率。

这样一来，在对 DDR3 SDRAM 进行数据存取时，要先确定 L-Bank 地址，定位到指定逻辑 Bank，再依次确定行地址和列地址，选中存储单元，进而进行数据的存取操作，而且一次只能对一个 L-Bank 的一个存储单元进行操作。

DDR3 SDRAM 的基本存储单位是存储单元，而一个存储单元的容量为若干个 Bit，对于 DDR3 SDRAM 而言就是芯片的位宽，每个 Bit 存放于一个单独的存储体中，存储体是利用电容能够保持电荷以及可充放电的特性制成，主要由行选通三极管、列选通三极管、存储电容以及刷新放大器构成。电容所存储的电荷会随时间慢慢释放，这就需要不断刷新为电容充电，以保证存储数据可靠性。

将每个存储单元简化为单 Bit 的存储体，再将若干存储体排列为矩阵，同一行将行地址线相连，同一列将列地址线相连，就构成了一个存储阵列的简化模型。

3.DDR3 SDRAM器件引脚

注：x4、x8、x16 分别表示位宽 4bit、8bit、16bit；＃符号表示信号为低电平有效；短划线-表示 x8 和 x4 引脚功能相同，x16 引脚功能相同与前者不同，我们的是 x16。

我们以镁光公司生产的、容量为 4Megx16x4Banks 的 DDR3 SDRAM 芯片为例，对其做一下功能介绍。

注：表格中某些信号只介绍了后文设计实验中所涉及到的功能，更多功能介绍请查阅芯片对应数据手册。

SDRAM 内部功能框图：

DDR3 SDRAM 内部包含一个逻辑控制单元，内部包含模式寄存器和命令解码器。外部通过 CS_N、RAC_N、CAS_N、WE_N 以及地址总线向逻辑控制单元输入命令，命令经过命令解码器进行译码后，将控制参数保存到模式寄存器中，逻辑控制单元进而控制逻辑运行。

外部通过地址总线输入地址信息，地址信息在逻辑控制单元进行逻辑控制时起到辅助作用，除此之外，复用的地址总线与 Bank 控制逻辑、行地址复用器、列地址计数锁存器、列地址解码器等内部器件共同作用，精确选定存储阵列中与行列地址相对应的存储单元，进而进行数据存取操作。

容量计算方法可简化为：存储容量(Bit)=L-Bank 存储单元数×数据位宽(Bit)×L-Bank 个数

SDRAM 芯片的另一个概念：速度等级。DDR3 SDRAM 速度等级相关参数截图，具体见图

包括速度等级在内的 6 个相关参数。时钟频率(Clock Frequency)，单位 MHz，所列举的具体参数为 SDRAM 正常工作的最高时钟频率，SDRAM 工作时只能等于或低于这一时钟频率；tRCD 表示写入自激活命令到开始进行数据读写，中间所需的等待时间，列举的数值表示等待时间的最小值，单位为 ns；tRP 表示自预充电指令写入到预充电完成所需的等待时间，列举的数值表示等待时间的最小值，单位为 ns ； CL(CAS(READ)latency)列选通潜伏期，表示自数据读指令写入到第一个有效数据输出所需等待时间，单位 ns；TargettRCD-tRP-CL 表示最大工作频率下，tRCD、tRP、CL 等待的最小时钟周期数。

4.AXI 接口概述

Advancede Xtensible Interface，即高级可扩展接口，它是 ARM 公司所提出的 AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）协议的一部分。之所以要采用 AXI4 接口对 ddr 进行读写是因为 Xilinx 的 mig ddr Ip 核，无论是 6 系列还是 7 系列还是最新的 FPGA，都集成了 AXI4 接口，为了采用 AXI4 接口进行读写，后续可以兼容 xilinx 的其他 fpga，可复用性更强。

AXI 协议是一种高性能、高带宽、低延迟的片内总线，具有如下特点：

1、总线的地址/控制和数据通道是分离的；

2、支持不对齐的数据传输；

3、支持突发传输，突发传输过程中只需要首地址；

4、具有分离的读/写数据通道；

5、支持显著传输访问和乱序访问；

6、更加容易进行时序收敛。

AXI4 协议支持以下三种类型的接口：

1、AXI4：高性能存储映射接口。

2、AXI4-Lite：简化版的 AXI4 接口，用于较少数据量的存储映射通信。

3、AXI4-Stream：用于高速数据流传输，非存储映射接口。

在这里我们首先解释一下存储映射（MeamoryMap）这一概念。如果一个协议是存储映射的，那么主机所发出的会话（无论读或写）就会标明一个地址。这个地址对应于系统存储空间中的一个地址，表明是针对该存储空间的读写操作。AXI4 协议支持突发传输，主要用于处理器访问存储器等需要指定地址的高速数据传输场景。AXI-Lite 为外设提供单个数据传输，主要用于访问一些低速外设中的寄存器。而 AXI-Stream 接口则像 FIFO 一样，数据传输时不需要地址，在主从设备之间直接连续读写数据，主要用于如视频、高速 AD、PCIe、DMA 接口等需要高速数据传输的场合。