本篇文章包含的内容
- 一、DDR SDRAM
- 1.1 基本概述
- 1.2 工作时序（以读取为例）
- 二、DDR2 SDRAM
- 2.1 基本概述
- 2.2 工作时序
- 三、DDR3 SDRAM
- 3.1 基本概述
- 3.2 硬件设计
- 3.3 读写时序
- 3.4 MIG IP核设计
- 3.5 读写代码设计
- 开发板：正点原子的达芬奇开发板（或MicroPhase的Z7-Lite 7020开发板）
- FPGA型号：XC7A35TFGG484-2（或XC7Z020CLG400-2）
- Vivado版本：2020.2
- 参考课程链接：正点原子手把手教你学FPGA-基于达芬奇开发板 A7
一、DDR SDRAM
1.1 基本概述
DDR SDRAM（Double Data Rate SDRAM），即（第一代）双倍速率同步动态随机存储器，它的主要结构示意图如上图所示。相较于SDRAM，它的主要有以下几点不同：
- 差分时钟：DDR SDRAM最核心的特点就是通过引入差分时钟，同时获取时钟信号
CK的上升沿和下降沿，在上升沿和下降沿都可以传输数据。 - 数据预取和预存（Prefetch）：在读取过程中，为了提高数据传输效率，先将数据放到输出锁存中，之后再通过多路选择器将数据输出到数据线
DQ上。写入操作也与之类似，先将数据读入到缓存电路中，将数据拼接后存入对应的存储单元中。 - 同步数据信号
DQS：数据变化只在DQS的边沿改变，此信号只由数据的发送方给出，提供给数据的接收方用于同步数据信号，目的就是为了在高速的数据传输中保持数据传输的稳定性。 - 掩码控制只对写入起作用：如上图所示，数据的掩码控制只对写入起作用，对读出不再支持掩码控制操作。
1.2 工作时序（以读取为例）
二、DDR2 SDRAM
2.1 基本概述
DDR2的主体结构与第一代DDR没有太大的不同，但是读取速度提升了一倍。可以看到DDR2的内部结构相较于之前也更复杂，在这里仅仅对一些知识点作一些科普性的说明：
- 片外驱动调教（OCD，Off-Chip Driver）：DDR2上电后同样有初始化过程，在这个过程中除了需要配置模式寄存器MRS（Mode Register Settings）之外，还添加了扩展模式寄存器设置过程EMRS（Extended Mode Register Settings），增加了新的设置选项。在EMRS阶段，DDR2添加了可选的OCD功能，主要作用是调整IO接口端的电压，用于补偿上拉电阻和下拉电阻对IO端口造成的影响，目的是使DQS和DQ之间的时间偏差降低到最小，以保证数据的稳定传输。调教期间，分别测试DQS高电平-DQ高电平与DQS低电平-DQ高电平时的同步情况，如果不满足要求，则通过设定突发长度的地址线来传送上拉/下拉电阻的等级，直到测试合格才会退出OCD操作。
- 片内终结（ODT，On-Die Termination）：所谓的终结，就是让信号被电路的终端被吸收掉，而不会在电路上形成反射，造成对后面信号的影响。在 DDR 时代，控制与数据信号的终结在主板上完成，每块 DDR 主板在 DIMM 槽的旁边都会有一个终结电压岛（电压岛就是指一块特殊的电路，没有其他特殊含义）的设计，它主要由一排终结电阻构成。长期以来，这个电压岛一直是 DDR 主板设计上的一个难点。而 ODT 的出现，则将这个难点消灭了。顾名思义，ODT 就是将终结电阻移植到了芯片内部，主板上不在有终结电路。
- 前置CAS、附加潜伏期AL和写入潜伏期WL：前置 CAS（Posted CAS）是为了解决 DDR 内存中指令冲突而设计的功能。它允许 CAS 信号紧随 RAS （ACTIVE命令）发送，相对于以往的 DDR 等于将 CAS 前置了。这样，地址线可以立刻空出来，便于后面的行有效命令发出，避免造成命令冲突而被迫延后的情况发生，但读/写操作并没有因此而提前，仍有要保证有足够的延迟/潜伏期，为此，DDR-Ⅱ引入了附加潜伏期的概念（AL，Additive Latency），与 CL 一样，单位为时钟周期数。AL+CL 被定义为读取潜伏期（RL，Read Latency），相应的，DDR-Ⅱ还对写入潜伏期（WL，Write Latency）制定了标准，WL 是指从写入命令发出到第一笔数据输入的潜伏期，不要将它和 tDQSS 弄混了，后者是指 DQS 而不是数据。按规定，WL=RL-1，即 AL+CL-1。
2.2 工作时序
三、DDR3 SDRAM
3.1 基本概述
可以看到，DDR3 相较于前几代版本越来越复杂，很多工程师添加和很多的新功能，提升了数据的存储容量和传输效率。但是笔者学习了相关内容之后发现，想要自行编写 DDR3 的 Verilog HDL 程序是非常不现实的，其中涉及非常多时序等待时间的计算和校准，调用官方自带的IP核对于开发效率的提升还是很大的。
DDR3相较于前几代添加的核心概念有以下几点（科普性质内容，了解即可）：
-
突发长度（Burst Length，BL）与前几代不同：由于DDR3的预取为8bit，所以突发传输周期（Burst Length，BL）也固定为8，而对于DDR2和早期的DDR架构系统，BL=4也是常用的，DDR3为此增加了一个4bit Burst Chop（突发突变）模式，即由一个BL=4的读取操作加上一个BL=4的写入操作来合成一个BL=8的数据突发传输，届时可通过地址线来控制这一突发模式。而且需要指出的是，任何突发中断操作都将在ddr3中予以禁止，且不予支持，取而代之的是更灵活的突发传输控制（如4bit顺序突发）。
-
寻址时序（Timing）改变：就像DDR2从DDR转变而来后延迟周期数增加一样，DDR3的CL周期也将比DDR2有所提高。DDR2的CL范围一般在2～5之间，而DDR3则在5～11之间，且附加延迟（AL）的设计也有所变化。DDR2时AL的范围是0～4，而DDR3时AL有三种选项，分别是0、CL-1和CL-2。另外，DDR3还新增加了一个时序参数——写入延迟（CWD），这一参数将根据具体的工作频率而定。
-
新增重置（Reset）功能：重置是DDR3新增的一项重要功能，并为此专门准备了一个引脚。DRAM业界很早以前就要求增加这一功能，如今终于在DDR3上实现了。这一引脚将使DDR3的初始化处理变得简单。当Reset命令有效时，DDR3内存将停止所有操作，并切换至最少量活动状态，以节约电力。
在Reset期间，DDR3内存将关闭内在的大部分功能，所有数据接收与发送器都将关闭，所有内部的程序装置将复位，DLL（延迟锁相环路）与时钟电路将停止工作，而且不理睬数据总线上的任何动静。这样一来，将使DDR3达到最节省电力的目的。 -
新增ZQ校准功能：ZQ也是一个新增的引脚，在这个引脚上接有一个240欧姆的低公差参考电阻。这个引脚通过一个命令集，通过片上校准引擎（On-Die Calibration Engine，ODCE）来自动校验数据输出驱动器导通电阻与ODT的终结电阻值。当系统发出这一指令后，将用相应的时钟周期（在加电与初始化之后用512个时钟周期，在退出自刷新操作后用256个时钟周期、在其他情况下用64个时钟周期）对导通电阻和ODT电阻进行重新校准。、
-
两个参考电压：在DDR3系统中，对于内存系统工作非常重要的参考电压信号VREF将分为两个信号，即为命令与地址信号服务的VREFCA和为数据总线服务的VREFDQ，这将有效地提高系统数据总线的信噪等级。
-
点对点连接（Point-to-Point，P2P）：这是为了提高系统性能而进行的重要改动，也是DDR3与DDR2的一个关键区别。在DDR3系统中，一个内存控制器只与一个内存通道打交道，而且这个内存通道只能有一个插槽，因此，内存控制器与DDR3内存模组之间是点对点（P2P）的关系（单物理Bank的模组），或者是点对双点（Point-to-two-Point，P22P）的关系（双物理Bank的模组），从而大大地减轻了地址/命令/控制与数据总线的负载。而在内存模组方面，与DDR2的类别相类似，也有标准DIMM（台式PC）、SO-DIMM/Micro-DIMM（笔记本电脑）、FB-DIMM2（服务器）之分，其中第二代FB-DIMM将采用规格更高的AMB2（高级内存缓冲器）。
面向64位构架的DDR3显然在频率和速度上拥有更多的优势，此外，由于DDR3所采用的根据温度自动自刷新、局部自刷新等其它一些功能，在功耗方面DDR3也要出色得多，因此，它可能首先受到移动设备的欢迎，就像最先迎接DDR2内存的不是台式机而是服务器一样。在CPU外频提升最迅速的PC台式机领域，DDR3未来也是一片光明。Intel所推出的新芯片-熊湖(Bear Lake)，其将支持DDR3规格，而AMD也预计同时在K9平台上支持DDR2及DDR3两种规格。
3.2 硬件设计
达芬奇板载的DDR3 SDRAM电路图如下，可以当作DDR3硬件设计的一个参考示例：
3.3 读写时序
3.4 MIG IP核设计
MIG（Memory Interface Generate）是Xilinx Vivado自带的一个IP核，它的结构以及连接关系如下图所示。可以看到，MIG IP核相当于一个连接FPGA用户逻辑和DDR3存储器的桥梁。用户仅需要关心左侧的用户接口的定义和时序即可。
-
在IP Catalog中搜索
mig，即可找到MIG IP核。
-
开始配置MIG，首先配置下列信息
-
选择是否兼容其他型号的FPGA（本次实验不需要）
-
选择DDR3控制器
-
配置时钟选项。包括器件时钟、器件时钟与用户时钟的比率（本次实验器件时钟为400MHz，用户时钟为100MHz）。Vccaux_io是一个与MIG性能有关的电压，本次实验同样保持默认。
-
配置存储器选项、ECC和数据屏蔽。
Memory Type选择Components；存储芯片只能选择美光（MT）的器件，具体的存储芯片型号要和实际的存储大小一致（达芬奇开发板保证设置为128M16即可）。ECC选项只有当数据位宽达到72位才可以开启。数据屏蔽功能本实验没有用到，这里开启或关闭对本次实验没有影响。
-
Bank Machine的数量决定了MIG的性能，但相对的，使用过多也会增大芯片内部的逻辑资源消耗，一般选择一个适中的数值。ORDERING规定是否允许MIG对指令进行重排序，在这里选择开启。
-
配置输入时钟频率（在这里为200MHz，有可能会出现Bug，选择为200MHz后打开依然是400MHz）、突发类型选择（这里选择顺序突发）、输出阻抗控制（默认选择RZQ/7）、终结电阻控制（默认选择RZQ/4）、片选信号输出使能（是否将
#CS信号引出，选择Enable）、寻址模式（颠倒Bank和行的寻址次序可以提高效率，连续地址可以并行处理）
-
配置FPGA内部相关信息。
-
阻抗匹配设置，这里保持默认。
-
引脚模式设置
-
设置引脚。可以事先写好
.xdc文件，再导入直接读取引脚电平设置，点击Validate使引脚设置生效即可。
-
之后的选项均为总结页面，协议声明等，全部保持默认即可。
3.5 读写代码设计
ddr3_rw_top.v
module ddr3_rw_top(
input sys_clk, // 系统时钟
input sys_rst_n, // 复位,低有效
// DDR3
inout [31:0] ddr3_dq , // DDR3 数据
inout [3:0] ddr3_dqs_n , // DDR3 dqs负
inout [3:0] ddr3_dqs_p , // DDR3 dqs正
output [13:0] ddr3_addr , // DDR3 地址
output [2:0] ddr3_ba , // DDR3 banck 选择
output ddr3_ras_n , // DDR3 行选择
output ddr3_cas_n , // DDR3 列选择
output ddr3_we_n , // DDR3 读写选择
output ddr3_reset_n , // DDR3 复位
output [0:0] ddr3_ck_p , // DDR3 时钟正
output [0:0] ddr3_ck_n , // DDR3 时钟负
output [0:0] ddr3_cke , // DDR3 时钟使能
output [0:0] ddr3_cs_n , // DDR3 片选
output [3:0] ddr3_dm , // DDR3_dm
output [0:0] ddr3_odt , // DDR3_odt
//用户
output led // 错误指示信号
);
// wire define
wire error_flag;
wire ui_clk ; // 用户时钟
wire [27:0] app_addr; // DDR3 地址
wire [2:0] app_cmd; // 用户读写命令
wire app_en; // MIG IP核使能
wire app_rdy; // MIG IP核空闲
wire [255:0] app_rd_data; // 用户读数据
wire app_rd_data_end; // 突发读当前时钟最后一个数据
wire app_rd_data_valid; // 读数据有效
wire [255:0] app_wdf_data; // 用户写数据
wire app_wdf_end; // 突发写当前时钟最后一个数据
wire [31:0] app_wdf_mask; // 写数据屏蔽
wire app_wdf_rdy; // 写空闲
wire app_sr_active; // 保留
wire app_ref_ack; // 刷新请求
wire app_zq_ack; // ZQ 校准请求
wire app_wdf_wren; // DDR3 写使能
wire locked; // 锁相环频率稳定标志
wire clk_ref_i; // DDR3参考时钟
wire sys_clk_i; // MIG IP核输入时钟
wire clk_200; // 200M时钟
wire ui_clk_sync_rst; // 用户复位信号
wire init_calib_complete; // 校准完成信号
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
//读写模块
ddr3_rw u_ddr3_rw(
.ui_clk (ui_clk),
.ui_clk_sync_rst (ui_clk_sync_rst),
.init_calib_complete (init_calib_complete),
.app_rdy (app_rdy),
.app_wdf_rdy (app_wdf_rdy),
.app_rd_data_valid (app_rd_data_valid),
.app_rd_data (app_rd_data),
.app_addr (app_addr),
.app_en (app_en),
.app_wdf_wren (app_wdf_wren),
.app_wdf_end (app_wdf_end),
.app_cmd (app_cmd),
.app_wdf_data (app_wdf_data),
.state (state),
.rd_addr_cnt (rd_addr_cnt),
.wr_addr_cnt (wr_addr_cnt),
.rd_cnt (rd_cnt),
.error_flag (error_flag),
.led (led)
);
// MIG IP核模块
mig_7series_0 u_mig_7series_0 (
// Memory interface ports
.ddr3_addr (ddr3_addr), // output [14:0] ddr3_addr
.ddr3_ba (ddr3_ba), // output [2:0] ddr3_ba
.ddr3_cas_n (ddr3_cas_n), // output ddr3_cas_n
.ddr3_ck_n (ddr3_ck_n), // output [0:0] ddr3_ck_n
.ddr3_ck_p (ddr3_ck_p), // output [0:0] ddr3_ck_p
.ddr3_cke (ddr3_cke), // output [0:0] ddr3_cke
.ddr3_ras_n (ddr3_ras_n), // output ddr3_ras_n
.ddr3_reset_n (ddr3_reset_n),// output ddr3_reset_n
.ddr3_we_n (ddr3_we_n), // output ddr3_we_n
.ddr3_dq (ddr3_dq), // inout [31:0] ddr3_dq
.ddr3_dqs_n (ddr3_dqs_n), // inout [3:0] ddr3_dqs_n
.ddr3_dqs_p (ddr3_dqs_p), // inout [3:0] ddr3_dqs_p
.init_calib_complete (init_calib_complete),
// init_calib_complete
.ddr3_cs_n (ddr3_cs_n), // output [0:0] ddr3_cs_n
.ddr3_dm (ddr3_dm), // output [3:0] ddr3_dm
.ddr3_odt (ddr3_odt), // output [0:0] ddr3_odt
// Application interface ports
.app_addr (app_addr), // input [28:0] app_addr
.app_cmd (app_cmd), // input [2:0] app_cmd
.app_en (app_en), // input app_en
.app_wdf_data (app_wdf_data),// input [255:0] app_wdf_data
.app_wdf_end (app_wdf_end), // input app_wdf_end
.app_wdf_wren (app_wdf_wren),// input app_wdf_wren
.app_rd_data (app_rd_data), // output [255:0]app_rd_data
.app_rd_data_end (app_rd_data_end),
// output app_rd_data_end
.app_rd_data_valid (app_rd_data_valid),
// output app_rd_data_valid
.app_rdy (app_rdy), // output app_rdy
.app_wdf_rdy (app_wdf_rdy), // output app_wdf_rdy
.app_sr_req (), // input app_sr_req
.app_ref_req (), // input app_ref_req
.app_zq_req (), // input app_zq_req
.app_sr_active (app_sr_active),// output app_sr_active
.app_ref_ack (app_ref_ack), // output app_ref_ack
.app_zq_ack (app_zq_ack), // output app_zq_ack
.ui_clk (ui_clk), // output ui_clk
.ui_clk_sync_rst (ui_clk_sync_rst),
// output ui_clk_sync_rst
.app_wdf_mask (32'b0), // input [31:0] app_wdf_mask
// System Clock Ports
.sys_clk_i (clk_200),
// Reference Clock Ports
.clk_ref_i (clk_200),
.sys_rst (sys_rst_n) // input sys_rst
);
//PLL模块
clk_wiz_0 u_clk_wiz_0 (
// Clock out ports
.clk_out1(clk_200), // output clk_out1
.clk_out2(clk_50),
// Status and control signals
.reset(1'b0), // input resetn
.locked(locked), // output locked
// Clock in ports
.clk_in1(sys_clk)
); // input clk_in1
endmodule
ddr3_rw.v
module ddr3_rw (
input ui_clk, //用户时钟
input ui_clk_sync_rst, //复位,高有效
input init_calib_complete, //DDR3初始化完成
input app_rdy, //MIG 命令接收准备好标致
input app_wdf_rdy, //MIG数据接收准备好
input app_rd_data_valid, //读数据有效
input [255:0] app_rd_data, //用户读数据
output reg [27:0] app_addr, //DDR3地址
output app_en, //MIG IP发送命令使能
output app_wdf_wren, //用户写数据使能
output app_wdf_end, //突发写当前时钟最后一个数据
output [2:0] app_cmd, //MIG IP核操作命令，读或者写
output reg [255:0] app_wdf_data, //用户写数据
output reg [1 :0] state, //读写状态
output reg [23:0] rd_addr_cnt, //用户读地址计数
output reg [23:0] wr_addr_cnt, //用户写地址计数
output reg [20:0] rd_cnt, //实际读地址标记
output reg error_flag, //读写错误标志
output reg led //读写测试结果指示灯
);
//parameter define
parameter TEST_LENGTH = 1000;
parameter L_TIME = 25'd25_000_000;
parameter IDLE = 2'd0; //空闲状态
parameter WRITE = 2'd1; //写状态
parameter WAIT = 2'd2; //读到写过度等待
parameter READ = 2'd3; //读状态
//reg define
reg [24:0] led_cnt; //led计数
//wire define
wire error; //读写错误标记
wire rst_n; //复位，低有效
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
assign rst_n = ~ui_clk_sync_rst;
//读信号有效，且读出的数不是写入的数时，将错误标志位拉高
assign error = (app_rd_data_valid && (rd_cnt!=app_rd_data));
//在写状态MIG IP 命令接收和数据接收都准备好,或者在读状态命令接收准备好，此时拉高使能信号，
assign app_en = ((state == WRITE && (app_rdy && app_wdf_rdy))
||(state == READ && app_rdy)) ? 1'b1:1'b0;
//在写状态,命令接收和数据接收都准备好，此时拉高写使能
assign app_wdf_wren = (state == WRITE && (app_rdy && app_wdf_rdy)) ? 1'b1:1'b0;
//由于DDR3芯片时钟和用户时钟的分频选择4:1，突发长度为8，故两个信号相同
assign app_wdf_end = app_wdf_wren;
//处于读的时候命令值为1，其他时候命令值为0
assign app_cmd = (state == READ) ? 3'd1 :3'd0;
//DDR3读写逻辑实现
always @(posedge ui_clk or negedge rst_n)
begin
if((~rst_n)||(error_flag))
begin
state <= IDLE;
app_wdf_data <= 128'd0;
wr_addr_cnt <= 24'd0;
rd_addr_cnt <= 24'd0;
app_addr <= 28'd0;
end
else if(init_calib_complete)
begin //MIG IP核初始化完成
case(state)
IDLE:
begin
state <= WRITE;
app_wdf_data <= 256'd0;
wr_addr_cnt <= 24'd0;
rd_addr_cnt <= 24'd0;
app_addr <= 28'd0;
end
WRITE:
begin
if(wr_addr_cnt == TEST_LENGTH - 1 &&(app_rdy && app_wdf_rdy))
state <= WAIT; //写到设定的长度跳到等待状态
else if(app_rdy && app_wdf_rdy)
begin //写条件满足
app_wdf_data <= app_wdf_data + 1; //写数据自加
wr_addr_cnt <= wr_addr_cnt + 1; //写地址自加
app_addr <= app_addr + 8; //DDR3 地址加8
end
else
begin //写条件不满足，保持当前值
app_wdf_data <= app_wdf_data;
wr_addr_cnt <= wr_addr_cnt;
app_addr <= app_addr;
end
end
WAIT:
begin
state <= READ; //下一个时钟，跳到读状态
rd_addr_cnt <= 24'd0; //读地址复位
app_addr <= 28'd0; //DDR3读从地址0开始
end
READ:
begin //读到设定的地址长度
if(rd_addr_cnt == TEST_LENGTH - 1 && app_rdy)
state <= IDLE; //则跳到空闲状态
else if(app_rdy)
begin //若MIG已经准备好,则开始读
rd_addr_cnt <= rd_addr_cnt + 1'd1; //用户地址每次加一
app_addr <= app_addr + 8; //DDR3地址加8
end
else
begin //若MIG没准备好,则保持原值
rd_addr_cnt <= rd_addr_cnt;
app_addr <= app_addr;
end
end
default:
begin
state <= IDLE;
app_wdf_data <= 256'd0;
wr_addr_cnt <= 24'd0;
rd_addr_cnt <= 24'd0;
app_addr <= 28'd0;
end
endcase
end
end
//对DDR3实际读数据个数编号计数
always @(posedge ui_clk or negedge rst_n)
begin
if(~rst_n)
rd_cnt <= 0; //若计数到读写长度，且读有效，地址计数器则置0
else if(app_rd_data_valid && rd_cnt == TEST_LENGTH - 1)
rd_cnt <= 0; //其他条件只要读有效，每个时钟自增1
else if (app_rd_data_valid )
rd_cnt <= rd_cnt + 1;
end
//寄存状态标志位
always @(posedge ui_clk or negedge rst_n)
begin
if(~rst_n)
error_flag <= 0;
else if(error)
error_flag <= 1;
end
//led指示效果控制
always @(posedge ui_clk or negedge rst_n)
begin
if((~rst_n) || (~init_calib_complete ))
begin
led_cnt <= 25'd0;
led <= 1'b0;
end
else
begin
if(~error_flag) //读写测试正确
led <= 1'b1; //led灯常亮
else
begin //读写测试错误
led_cnt <= led_cnt + 25'd1;
if(led_cnt == L_TIME - 1'b1)
begin
led_cnt <= 25'd0;
led <= ~led; //led灯闪烁
end
end
end
end
endmodule
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![[论文笔记]LLaMA: Open and Efficient Foundation Language Models](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/5438e10bf23516a6eb5033737338c247.png)
