FPGA DDR4读写实验

DDR4 SDRAM（Double-Data-Rate Fourth Generation Synchronous Dynamic Random Access Memory，简称为 DDR4 SDRAM），是一种高速动态随机存取存储器，它属于 SDRAM 家族的存储器产品，提供了相较于 DDR3 SDRAM 更高的运行性能与更低的电压，并被广泛的应用于计算机的运行缓存。

1 DDR4 介绍

DDR4 芯片的行地址是 16bit 位宽，列地址是 10bit 位宽，而整个存储区域分为两个 BANK 组，每个 BANK 组又由 4 个子 BANK 组成，所以整片 DDR4 的容量就是2^16*2^10*8*16bit=512M*16bit。DDR4 相较于 DDR3 在指令引脚上也发生了变化，DDR4 取消了我们所熟悉的使能 WE、列激活 CAS 和行激活 RAS 这三个命令引脚，而是将这三个命令引脚和地址线 A14、A15 以及 A16 复用了。除此之外在寻址的时候也不再是直接去寻址 BANK，而是先寻址 BANK 组，然后再找到这个 BANK 组中的某个子 BANK。整个数据的吞吐是 8 倍预取，因此用户端数据在读写的时候就是16bit*8=128bit 的数据量进行吞吐（注意虽然是 8 倍预取，但是每一次 IO 引脚上的数据传输依旧是 16bit，因为数据线就 16 根，至于为何可以达到 8 倍预取和 DDR4 内部的双沿采样，FIFO 缓冲，写数据逻辑结构有关）。

2 MIG  IP介绍

MIG IP 核是 Xilinx 公司针对 DDR 存储器开发的 IP，里面集成存储器控制模块，实现 DDR 读写操作的控制流程，下图是 MIG IP 核结构框图。MIG IP 核对外分出了两组接口，左侧是用户接口，就是用户（FPGA）同 MIG 交互的接口，用户只有充分掌握了这些接口才能操作 MIG；右侧为 DDR 物理芯片接口，负责产生具体的操作时序，并直接操作芯片管脚，这一侧用户只负责分配正确的管脚，其他不用关心。

DDR4 的读或者写都包含写命令操作，其中写操作命令（app_cmd）的值等于 0，读操作 app_cmd 的值等于 1。首先来看写命令时序，如下图所示。首先检查 app_rdy，为高则表明此时 IP 核命令接收处于准备好状态，可以接收用户命令，在当前时钟拉高 app_en，同时发送命令（app_cmd）和地址（app_addr），此时命令和地址被写入。

写数据的时序

写数据有三种情形均可以正确写入：

（1）写数据时序和写命令时序发生在同一拍；

（2）写数据时序比写命令时序提前一拍；

（3）写数据时序比写命令时序至多延迟晚两拍；

写时序总结如下：首先需要检查 app_wdf_rdy，该信号为高表明此时 IP 核数据接收处于准备完成状态，可以接收用户发过来的数据，在当前时钟拉高写使能（app_wdf_wren），给出写数据（app_wdf_data）。这样加上发起的写命令操作就可以成功向 IP 核写数据。这里有一个信号 app_wdf_mask，它是用来屏蔽写入数据的，该信号为高则屏蔽相应的字节，该信号为 0 默认不屏蔽任何字节。

对于背靠背写，其实也有三种情形，唯一点不同的是，它没有最大延迟限制。

接着来看读数据

读时序比较简单，发出读命令后，用户只需等待数据有效信号（app_rd_data_valid）拉高，为高表明此时数据总线上的数据是有效的返回数据。需要注意的是，在发出读命令后，有效读数据要晚若干周期才出现在数据总线上。下面是背靠背读的情况。

需要注意的是，在连续读的时候，读到的数据顺序跟请求的命令/地址是相对应的。通常使用 DDR4 的时候，为了最大限度地提高 DDR4 效能，充分利用突发写的特点，非背靠背很少用，而更多地采用背靠背操作。

END