FPGA测试DDR带宽跑不满的常见原因及分析方法

在 FPGA 中测试 DDR 带宽时，带宽无法跑满是常见问题。下面我将从架构、时序、访问模式、工具限制等多个维度，系统梳理导致 DDR 带宽跑不满的常见原因及分析方法。

一、带宽的定义与理论值

如果你用的是 DDR3/DDR4，理论带宽为：

带宽（GB/s）=数据总线位宽×2×时钟频率÷8 ext{带宽（GB/s）} = ext{数据总线位宽} × 2 × ext{时钟频率} ÷ 8带宽（GB/s）=数据总线位宽×2×时钟频率÷8

举例：

DDR3-1600，64-bit 总线 → 理论带宽 = 1600 × 2 × 64 ÷ 8 =25.6 GB/s

DDR3-1333，32-bit 总线 → 理论带宽 =10.6 GB/s

实际测试中，能达到 50~80% 理论值已属优秀。

二、带宽跑不满的常见原因（分类汇总）

类别	原因说明
1. 访问模式不合理	非突发写、突发长度太短、写后马上读（不交叉）
2. 总线未饱和	AXI 或 native 接口突发间隙太大，发送不连续，数据送不上
3. 时序开销大	行切换（row-to-row）、Bank冲突、Read/Write turnaround、precharge 等
4. IP 配置限制	AXI master max burst length 太小、未开启 write combine/cache
5. 数据源限制	FIFO 数据跟不上、上游模块速度不足
6. 读写交叉干扰	连续交叉读写会导致 DDR 时序插空，例如：R→W→R→W → 加大 tWTR 延迟
7. 工具测试不严谨	读写混测平均时间，未分别统计；或计数错误
8. DDR初始化未优	时序参数（如 tFAW、tCCD、tRRD）保守，MIG未调优
9. 使用 AXI-Lite	AXI-Lite 是低速接口，完全无法测试带宽，必须用 AXI full 或 native 接口
10. 缓存失效	AXI-ACP 无法触发缓冲策略 / cache miss，导致 CPU 或 DMA 拉取不稳定

三、关键优化建议（非常实用）

1. 使用 AXI Burst + 跨行访问（burst_len = 16/32/64）

AXI AWBURST=INCRAWLEN=15(burst16)

→ 连续 burst 会让 DDR 提前激活多个 row/bank，避免 precharge 延迟。

2. 最大化 pipeline 吞吐

AXI master write channel 不应 idle，保持发满

使用双 buffer（写时填，读时读） → 乒乓加速

burst 必须排队连续送出 → 尽量不 idle

3. 写 / 读 分开测

读写交叉模式效率更差（DDR 要 insert tWTR 保护）

建议单向测试写或读带宽，分开跑性能高

4. 启用 MIG 的高性能端口（HP）

对于 Zynq 平台，推荐走 AXI_HP 通道，性能好于 GP 端口。
对于 UltraScale+ 建议用 AXI HPM_FPD 通道 + S_AXI_ACP 缓存一致性接口。

5. 使用 AXI Traffic Generator 来找上限

Vivado 自带 IP：AXI Traffic Generator 可以精确控制：

burst size、间隔、突发类型

测试 max AXI 接口带宽能力

可配合 ILA 抓波形

6. 分析真实带宽公式

你可通过如下公式计算真实带宽：

带宽（MB/s）=总字节数总时间（秒） ext{带宽（MB/s）} = frac{ ext{总字节数}}{ ext{总时间（秒）}}带宽（MB/s）=总时间（秒）总字节数

例如：

你测试写入 128MB，用了 0.8 秒

带宽 = 128 ÷ 0.8 = 160 MB/s（远低于 DDR3 理论值 → 明显有瓶颈）

四、是否跑满的判断标准

状态	现象
跑满	写接口始终 valid & ready，高速写入
未跑满	数据断断续续、AXI bvalid/bready 有空档
被 precharge 限制	MIG ILA 中看到 precharge/busy 插空
AXI 总线 idle	awvalid/wvalid 不连续

抓 AXI 信号（via ILA）可以判断你是否真正“压满带宽”。

五、总结建议

项目	建议
burst 长度	≥16，越大越好（支持的最大值）
访问地址	连续增长，跨 Bank 跨 Row 最佳
测试方向	写入单独测一次、读取单独测一次
接口类型	AXI Full / MIG native / HP
IP 配置优化	调高 buffer depth、预取、缓冲策略
工具辅助	AXI Traffic Generator + ILA