基于FPGA的一种DDR4存储模块设计

0   引言

随着通信技术的不断发展，5G 技术作为当前新一代通信的热点技术将面临很多研究课题，除了要传输低速率、小带宽数据外，还需要分析高速率、大带宽数据，分析带宽从100 MHz 提高到1 GHz，甚至更高带宽。当前最大的难题就是5G 高速率的传输将会导致信号的带宽变大，因此对这些高速率的数据流进行实时处理将变得更加困难^[1]。伴随着数字化的高速发展，目前存储是大容量数据存储系统的核心部分，甚至会影响到系统的性能。DDR最大的特点就是传输速率是时钟的两倍，数据同时在上升沿和下降沿同时采样^[2]。本文提出一种基于DDR4 SDRAM 的高速数据缓存技术，主控器选用Xilinx 公司XCVU9P 系列FPGA 芯片，数据缓存器选用MT40A512M16HA-083E，通过对DDR4 SDRAM 的存储寻址原理及DDR4 IP 核的读写控制逻辑的研究，实现了在250 MHz 的时钟下，DDR4SDRAM 能够正常进行读写操作。经过测试验证，读写数据正常，无数据丢失。

1   整体设计方案

整体设计方案使用模块化，主要包括光口传输模块、DDR4 存储模块、SRIO 接口模块。本设计主要对控制芯片FPGA 内部逻辑进行了优化设计，其中包括DDR4控制器、不同时钟域之间的数据缓存FIFO。整体方案传输流程如图1 所示。

●   光口模块：主要是接收采集模块传输过来的数据。

●   DDR4 存储模块：用于缓存数据，由于SRIO 接口的数据传输速率慢，需要通过DDR4 存储模块先将高速数据存储到DDR4 中，然后再通过SRIO 的时钟将数据传输给SRIO 接口模块。

●   SRIO 接口模块：接收DDR4 读出来的数据，然后传输给上位机进行测试分析。

2   DDR4 SDRAM内部结构

DDR4 SDRAM 是一种内部可配置高速动态随机存储器，其内部由多个Bank 组成，Bank 又是由很多行和列构成^[3]，DDR4 的寻址操作就是对行列地址进行操作。DDR4存储器有几个重要概念，即Bank、Bank Group及Page， 例如512Mx16 的8 Gb 容量的DDR4， 内部主要包括2 个Bank Group，每个Bank Group 包括4 个Bank[3]。每个Bank 是由多个Page 组成的，通过多Page地址去选择相应的Page。

3   DDR4控制器模块设计

DDR4 控制器模块设计如图2 所示，将控制器分为IDLE、WR-DELAY、DDR-WR_s、RD_DELAY 和DDR_RD_s 五个模块。

●   IDLE：初始化状态。主要对DDR4 内部的信号进行初始化。当收到rd_en_reg 和rd_dat_s_reg 信号同时有效时，将进入RD_DELAY 状态；当收到wr_en_reg 信号有效时，进入WR_DELAY 状态；如果在该状态下没有收到相应的有效信号将继续保持该状态。

●   WR-DELAY：写等待状态。当在此状态下收到rd_en_reg 有效时将会跳到IDLE 状态；在没有收到rd_en_reg 有效时，根据条件app_bl_cnt >= WR_BURST_CNT 来判断是否已经写到规定的数据量，如果已经写到规定的数据量，将继续保持在该状态，等待其他有效信号的到来，如果没有写到规定的数据量，判断写FIFO的wr_prog_empty 信号，如果wr_prog_empt 无效则跳转到DDR_WR_S状态，反之wr_prog_empt 有效， 则继续在该状态下等待有效信号到来。

● DDR_WR_s：写状态。此状态主要是往DDR4 里写数据，由于DDR4 IP 核内的Burst Length 设为了8[4]，所以根据条件ddr_cnt ==WR_BURST_NUM 来判断，当ddr_cnt 计数到了WR_BURST_NUM 的值时，会跳转到WR-DELAY 状态，如果没有计数到WR_BURST_NUM 的值，则继续保持在该状态。

● RD_DELAY：读等待状态。当在此状态下收到wr_en_reg 有效时将会跳转到IDLE 状态；在没有收到wr_en_reg 有效时，根据读FIFO 的rd_prog_full 信号来判断，如果rd_prog_full 有效时则继续在该状态下等待，若无效则根据条件app_bl_cnt >= RD_BURST_CNT 来判断，如果计数达到了设定的读数据量，则会跳转到IDLE 状态，若没有到达设定的读数据量，则跳转到DDR_RD_s 状态。

● DDR_RD_s：读状态。此状态主要是将DDR4里的数据往外读，根据条件ddr_cnt >= RD_BURST_CNT 来判断，当计数达到设定的读数据量时则会跳转到IDLE 状态，如果没有达到设定的读数据量，且读FIFO 的rd_prog_full 信号有效，则会继续在该状态下读取DDR4 里的数据。

4   仿真验证

采用Vivado 2018.3 软件，其中FPGA 芯片型号为XCVU9P-flga2104-1-i，进行开发板上验证。在光口模块产生一组递增数，通过光口将数据发送给DDR4 存储模块。通过在ILA 抓取相应的信号来观察DDR4。图3 是通过ILA 抓取的DDR4 内部信号状态图^[5]。

图3 DDR4写状态1

通过图3 可以看出，一开始DDR4 处于初始化状态，当wr_en_reg 变成高电平时，state 跳转到WR_DELAY状态；当wr_prog_empty 变成低电平时，state 跳转到DDR_WR_s 状态。之后，当app_bl_cnt 计数到96250时，state 跳转到WR_DELAY；如果对写数据部分放大，可以看出数据是递增数；当rd_en_reg 和rd_dat_s_reg同时有效时，state 从IDLE 状态跳转到RD_DELAY 状态，当rd_prog_full 为低电平时，且app_bl_cnt 未计数到RD_BURST_CNT， 这个state 从RD_DELAY 状态跳转到DDR_RD_s 状态；当ddr_cnt 计数到768000 时，state 从DDR_RD_s 状态跳转到IDLE 状态；图4 是对读数据部分放大，可以看出数据是正整数。

图4 DDR4读状态3

5   结束语

本研究在Xilinx 公司的XCVU9P 系列FPGA 芯片上完成了DDR4 存储模块的读写状态机的设计、代码编写以及验证。使用其内部自带的DDR4 SDRAM（MIG）IP 核进行例化核设计。经过开发板上验证，实现在250 MHz 时钟下对DDR4 SDRAM 的读/ 写操作，数据无丢失，能够保证高速率、大带宽数据正常传输，该传输机制具有良好的可靠性、适用性及有效性。

参考文献：

[1] 袁行猛,陈亮,徐兰天.基于CPRI协议的5G基带数据传输技术的研究与实现[J].电子产品世界,2019,26(04):41-45+61.

[2] 张亚军.实时频谱仪的数字中频处理设计与实现[D].成都:电子科技大学,2017.

[3] 汪继友.一种特殊应用场景下的DDR4写缓冲设计与验证[D].合肥:安徽大学,2019.

[4] 苏健渊.基于ARM+FPGA的多屏图像显示系统研究[D].西安:西安电子科技大学,2014.

[ 5 ] 武春锋. 基于DDR4 SDRAM的光电图像实时存储技术研究[D].北京:中国科学院大学,2018.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年8月期）