基于FPGA的DDR3用户接口设计技术详解

本文详细介绍了在Xilinx Virtex-6系列FPGA中使用MIG3.7 IP核实现高速率DDR3芯片控制的设计思想和设计方案。针对高速实时数字信号处理中大容量采样数据通过DDR3存储和读取的应用背景，设计和实现了适用于该背景的控制状态机，并对控制时序作了详尽的分析。系统测试结果表明，该设计满足大容量数据的高速率存储和读取要求。

一、引言
随着软件无线电[1]思想的提出和FPGA技术[2]的不断发展，高速实时数字信号处理[3]已经成为FPGA的一个重要课题，高速的采样频率带来的是大容量的存储数据。在存储芯片领域，DDR3以较低的功耗，较快的存储速度，较高的存储容量和较低的价格迅速占领市场；同时在绘制PCB板图时，DDR2对信号完整性[4]的要求比较高，在很多地方都要求T型连接；而DDR3引入了write leveling的模块[5]，专门用于各个模块间时钟的对齐，因此可以采用菊花链的连接方式，大大方便了PCB互联设计[6]。因此，在FPGA中使用DDR3进行大容量数据的存储是一种趋势。

本文基于Xilinx 公司的Virtex-6芯片，针对高速实时数字信号处理中大容量采样数据通过DDR3存储和读取的应用背景，利用官方提供的IP核完成了用户接口设计，并在该芯片上完成了验证和实现。目前，该方案已经在某雷达系统的高速数据缓存中得到了应用。

二、系统模型
现假定背景是数字信号处理，由FPGA和DSP共同完成，FPGA主要完成数据的实时检测和初步处理，同时负责采集和存储原始数据。DSP主要负责信号的进一步处理。DSP的实时处理能力有限，那么就需要FPGA把感兴趣时间段的数据存储下来，再由DSP一包一包地从中读取并进一步处理。其基本框图如下：

 

图1 系统背景框图

在这里我们主要讨论DDR3的控制，提取感兴趣的模块可以得到简化的框图：

 

图2 DDR3用户接口设计整体框图

用户接口设计是整个系统的核心，对整个系统进行调度和控制。当接收到DSP写命令的时候，该设计开启写FIFO缓存功能，将对应数据按照MIG的时序要求写入DDR3；当接收到DSP读命令的时候，该设计按照要求产生对应的MIG读时序，控制数据进入读FIFO，进而完成后续操作。

三、MIG时序要求
Xilinx MIG v3.7 IP核的一般写命令操作时序[7]如下图所示：

 

图3 MIG用户接口的时序要求（突发长度为8）

由以上时序图可以得到连续写命令的控制要点：
1、 当app_rdy（DDR3核准备好信号）和app_en（DDR3核使能信号）同时拉高的时候， 写命令和写地址有效。
2、 当app_wdf_rdy（DDR3写FIFO准备好信号）和app_wdf_en（DDR3写FIFO使能信 号）同时拉高的时候，写入数据有效。
3、 突发长度为8时每两个控制周期对应一组突发数据，则每写入两个数据就要给出一个 app_wdf_end（帧尾信号）。
4、 写命令与写数据的操作时序要在两个时钟周期以内。

四、用户接口设计及时序分析
由上面MIG操作时序要求提出基于等待的写命令写数据同时发送机制。这种方式有一个好处：数据基本不会留在DDR3的FIFO里面，这样，就不用考虑app_wdf_rdy会拉低的情况，方便了写数据的操作，提高了时钟利用率。其基本思路如下图所示：

 

图4 基于MIG的用户接口设计基本框图

由上图设计的状态机所得的时序如下图所示:

 

图5 用户设计时序图

时刻①写等待状态，此时检测到ADFIFO为空，因此保持写等待状态。

时刻②检测到ADFIFO非空，于是读使能拉高，下一个状态为写数据状态。

时刻③已进入写数据状态，此时检测adata_valid（ADFIFO数据有效信号），因为读使能拉高到读数据有效有一个时钟的延时，因此当检测到adata_valid有效再使得adfifo_rden(ADFIFO读使能)拉低的话，读使能已经有效了两个时钟了。此时并没有检测到ADFIFO数据有效信号，状态不变继续检测。

时刻④检测到读数据有效，说明两个时钟周期的读使能信号已经发出，于是读使能拉低，同时拉高app_wdf_wren(DDR核写使能信号)，将对应数据发出。

因为有两个时钟的有效数据，时刻⑤adata_valid依然拉高，继续写入数据；此时检测到brust_cnt(帧尾计数标志)为高，给出帧尾信号，同时app_en(核使能信号)拉高，准备发送写命令，下一个状态为写命令状态。

时刻⑥已进入写命令状态，这时app_en已经拉高，只要检测到app_rdy(核准备好信号)拉高，说明对应地址的写命令已经发出。时刻⑥检测到app_rdy为低，状态不变，继续检测。

经过连续几个时钟周期的等待后，时刻⑦检测到app_rdy为高，说明对应地址的写命令已经发出，地址自动加一，同时app_en信号拉低，再次进入写等待状态。

时刻①到时刻⑦详细描述了当接受到DSP写命令时用户接口设计对各个端口的时序操作，可见与MIG要求时序相符。

读命令的发送和写命令的发送类似，也比较简单，在此不再赘述。

五、结论
使用Xilinx公司生产的Virtex-6芯片进行验证，采样速率为1Ghz，采样位宽为12位，扩展成16位后进行存储，DDR3内部以1067M处理速度，32位的处理带宽进行存储，写数据时从地址全0写到地址全1，读数据时也从地址全0读到全1，经对比无误，说明该控制器能够较好地进行高速读写操作。

 

 

 

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