对DDR3/4控制器进行探讨

参考资料

《pg150-ultrascale-memory-ip》

以该手册的脉络为主线，对DDR3/4控制器进行探讨。

1.IP核结构

根据官方提供的资料，IP核主要划分为三个部分，分别是用户接口，内存控制器以及物理层接口。对于用户来说，我们需要研究清楚的是用户接口部分内容，其余两部分只需了解即可，这里就不展开论述。

读写效率

X8是表示，该内存颗粒的数据总线为8bit。常见的还有x4/x16。

2.读写时序userinterface操作

整个DDR的IP核应用，主要都是围绕这以下几个路径进行，开发者直接打交道的是IP_core的userinterface。其他物理底层的内容，由IP自行完成。主要指令路径包括：Command Path、write_Path、read_Path以及维护指令（Maintenance Commands）。

Command Path

顾名思义，就是读写操作指令写入的路径。当app_rdy与app_en都有效的时候，新的指令才能写入命令FIFO里，并被执行。

Write Path

数据内容写入IP核的路径。

从上述的时序图看来，与写入路径相关的信号有app_adf_data、app_wdf_wren以及app_wdf_end。虽然说，写入的数据路径与指令路径可以不对齐，但实际应用过程中，建议还是对齐操作，要不然容易出问题（后续调试测试的内容有提到）。

pp_wdf_end为高，表示该数据这次写入请求的最后一个数。以上图为例，4：1mode是指用户接口时钟与物理层驱动DDR的时钟之比为1：4。比如用户接口的数据总线为64bit，物理层驱动DDR芯片位宽为8bit ,BL=8, 在4：1mode下,那么正好一个用户clk可以执行完一次突发传输（DDR是在时钟上升沿和下降沿都传输数据）。所以在执行传输的过程中，app_wdf_end为高。

Read Path

数据从IP核中读出来的路径。

Maintenance Commands(维护指令)

这里可以解析为什么读写效率不能够达到百分百，由于ddr需要刷新等导致。其中启动刷新有两种模式，一种是自动刷新，即IP核自己产生满足时序的刷新请求，另外一种是通过选中“启用用户刷新和ZQCS输入”选项来启用用户模式。在此模式下，当init_calib_complete有效之后，由用户负责发出Refresh和ZQCS命令以满足DRAM组件规范所要求的速率。ZQCS是用于ZQ 校准，这个与ODT相关。

扩展一下：

ODT（On-Die Termination），是从DDR2 SDRAM时代开始新增的功能。其允许用户通过读写MR1寄存器，来控制DDR3 SDRAM中内部的终端电阻的连接或者断开。

为什么要用ODT？一个DDR通道，通常会挂接多个Rank，这些Rank的数据线、地址线等等都是共用；数据信号也就依次传递到每个Rank，到达线路末端的时候，波形会有反射，从而影响到原始信号；因此需要加上终端电阻，吸收余波。之前的DDR，终端电阻做在板子上，但是因为种种原因，效果不是太好，到了DDR2，把终端电阻做到了DDR颗粒内部，也就称为On Die Termination，Die上的终端电阻，Die是硅片的意思，这里也就是DDR颗粒。

所以，使用ODT的目的很简单，是为了让DQS、RDQS、DQ和DM信号在终结电阻处消耗完，防止这些信号在电路上形成反射，进而增强信号完整性。

3.对IP核进行二次封装

建议对IP核的User_interface再封装一层，对外只需预留例如wr_en/wr_data以及rd_en/rd_data等信号，类似于读写FIFO的端口，提高模块的后期复用。

4.调试与测试记录

手册梳理得差不多了，写个简单的程序仿真测试。期间碰到了些问题，分享出来记录一下。

cmd_path与write_path没对齐。

图中所示，app_rdy为低，但是wdf_wren仍然为高，短期的话应该没有什么问题，但是如果持续一段时间，必然会导致IP核中fifo被写满，导致异常。

解决办法：

令指令与数据路径命令对齐。在写入的时候，当app_rdy与app_wdf_rdy都有效的时候，才触发相应的动作。

数据没有写入，导致回读出来的数据不对。

从时序上来看，写入没有问题。但是我当初忽略了app_wdf_mask，这个没有赋值（正常应该赋0），导致仿真的时候，该信号一致显示高阻态。然后发现ddr4_dm_dbi_n（双向信号）信号异常。

读出来的数据一直是0.

修改过来后，问题解决。

读写效率测试

Wr:

Rd:

MEM_ADDR_ORDER = "ROW_COLUMN_BANK";

Wr:

Rd:

仔细的话，可以观察clk与app_rdy之间的关系，不难发现为什么两者的读写效率会相差这么大。不同的地址排列，在每次读写过程中，IP的效率有很大的关系，这个与DDR的实现机制有关。详细情况在PG150里有相关说明。

编辑：jq