摘要：為解決超高速采集系統中的數據緩存問題，文中基于Xilinx Kintex-7 FPGA MIG_v1.9 IP核進行了DDR3 SDRAM控制器的編寫，分析并提出了提高帶寬利用率的方法。最終將其進行類FIFO接口的封裝，屏蔽掉了DDR3 IP核復雜的用戶接口，為DDR3數據流緩存的實現提供便利。系統測試表明，該設計滿足大容量數據緩存要求，并具有較強的可移植性。

隨著寬帶雷達技術的發展，超高速和寬帶采樣已成為基本要求［１］，超高速采集系統需要相匹配的數據緩存設計，DDR3 SDRAM是當前最常用的高效方案［２－４］。

DDR SDRAM是同步動態隨機存儲器，其采用雙倍速率存取，數據在工作時鐘的上升沿和下降沿采樣，有效提升了存儲速率。DDR SDRAM系列存儲設備經歷了DDR、DDR2和DDR3幾個階段。DDR3 SDRAM在降低系統功耗的同時提高了系統性能，其利用“FlyBy”和動態片上匹配技術對于信號完整性的改善效果明顯［５］。本文基于Xilinx的MIG_v1.91 IP核進行了DDR3 SDRAM控制器的編寫，并在Kintex-7 FPGA芯片上完成了功能測試及實現。
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1 DDR3連續讀寫操作的FPGA 實現

設計選用８片Mircon公司型號為 MT42J128M16的芯片作為緩存區。每片芯片的數據位寬為8bit，行地址復用14條地址線，列地址復用10條地址線，共有8個Bank。每片容量為128MB，８片DDR3共同組成位寬為64bit，容量為1GB的緩存區域［６］。

本文中DDR3控制器是基于Xilinx MIG IP核設計的。用戶首先需要在MIG IP核配置頁面對DDR3芯片型號、總線位寬、速度等級、引腳分配等參數進行設置。設置完成后即可得到DDR3控制器接口解決方案，Xilinx Kintex-7系列FPGA內存接口解決方案如圖1所示［７］。

該方案由用戶控制模塊、用戶接口模塊、內存控制模塊和物理層接口模塊４部分組成。用戶接口模塊位于設計的最前端，通過呈現一個扁平化的地址空間和緩沖器，提供了一個簡單的用戶接口，用以代替本地接口進行數據的讀寫操作。內存控制模塊位于用戶接口模塊和物理層模塊之間，其前端為用戶接口模塊提供本地接口。本地接口支持用戶設計提交存儲器讀寫請求，并提供用戶設計模塊與外部存儲設備之間的數據傳輸機制。內存控制模塊還提供了一個具有重排序的功能選項，可以對接收到的請求進行重新排序，進而優化數據傳輸的吞吐量及時延。內存控制器后端連接至物理層接口，并處理所有該模塊的接口請求。物理層接口前端連接至內存控制器模塊，后端連接外部存儲設備，其主要功能是捕獲DDR3發出的數據，產生DDR3所需要的控制指令信號，并通過輸入輸出緩存發送所有DDR3的控制信號、地址信號以及數據信號，同時保證指令與地址、數據的同步和信號的維持［５］。

用戶使用時，只需設計DDR3讀寫控制模塊即可通過IP核對DDR3進行讀寫操作。app_rdy信號是用戶接口模塊準備就緒的標識，在進行讀操作時，只需在app_rdy信號為１時更新讀地址即可，讀操作時序如圖2所示［７］。而寫操作相對復雜，若要成功進行寫操作，則必須保證寫地址和寫數據都有效，而寫地址和寫數據不必同時有效，可以相差幾個周期，當用戶接口反饋的app_rdy信號和用戶控制的app_en信號同時為１時，寫操作指令app_cmd以及寫地址app_addr有效。而對于需要寫入的數據app_wdf_data來說，只有當用戶接口反饋的app_wdf_rdy信號和用戶控制的app_wdf_wren信號同時拉高時才是有效的。寫操作對應的時序如圖３所示［７］。

圖１　Xilinx Kintex-7 FPGA內存接口解決方案

圖２　讀操作時序圖

圖３　寫操作時序圖

本文基于Verilog HDL 硬件描述語言［８］，設計如圖４所示的狀態機實現DDR3的連續寫操作。在IDLE狀態下，當DDR3 IP核完成校準后，經過幾十μs的延時，寫地址和寫數據被同時送入IP核，狀態機進入WRITE狀態。如果寫地址與寫數據均得到響應（app_rdy & app_wdf_rdy為1），寫地址和寫數據將得到更新，狀態機繼續處于WRITE狀態。如果只有寫數據得到響應（! app_rdy & app_wdf_rdy為１），則停止寫數據更新，狀態機進入WAIT1狀態，待寫地址得到響應后，再更新寫地址和寫數據，并返回到ＷＲＩＴＥ狀態。如果只有寫地址得到響應（app_rdy & ! app_wdf_rdy為１），則停止寫地址更新，進入WAIT2狀態，待寫數據得到響應后，更新寫地址和寫數據，并返回WRITE狀態。經實際測試狀態WAIT2并不會出現，所以可以將WAIT2狀態去掉，對狀態機進行優化。

圖４　DDR3連續寫控制模塊狀態機"

本文設計的狀態機，通過對IP核的控制，成功實現了DDR3連續寫操作。用 Chipscope軟件進行信號觀測，波形如圖５所示。由于連續讀操作比較簡單，文中不再贅述。

圖５　DDR3連續寫操作Chipscope相關信號波形

2 DDR3讀寫效率測試與分析

為滿足高速數據傳輸的要求，DDR3需要保證較高的帶寬利用率。DDR3的極限速率為兩倍工作時鐘頻率與數據總線位寬的乘積。但是，DDR3的讀寫共用同一組數據總線，同時DDR3內部是以BANK／行／列的形式組織起來的。在對新的ＢBANK／行進行讀寫前，需要執行預充命令和激活命令等［9-10］。同時不同指令之間也有各種時間間隙要求。因此，DDR3的實際傳輸速率與極限速率有一定差距。根據使用方式的不同，DDR3的接口帶寬利用率會存在差異［11-13］。

本文通過測試不同使用情形下DDR3的帶寬利用率來尋求具有較高效率的讀寫控制方式。本測試計算帶寬效率的方式是，向IP核中輸入指定的激勵，觀察DDR3芯片接口上的有效數據所占的比例，由此計算出有效帶寬。

本文對以下３種DDR3讀寫方式進行了帶寬利用率的測試：
（１）固定Bank多行切換測試。單Bank內，每完成一次寫操作，則進入下一個行的相同列。由于兩列的打開操作有時間間隙要求，打開列到寫操作也有時間間隙要求，導致單Bank內行切換時，測得的帶寬利用率較低，僅為11％；

（２）讀寫切換測試。對DDR3同一地址空間，每進行完１次寫操作之后，進行１次讀操作。由于相鄰讀寫操作間有時間間隙要求，導致該方式下，帶寬利用率較低，僅為10.7％。接著按照先進行Ｎ次寫操作，再進行Ｎ次讀操作的讀寫方式進行測試，其結果記錄如表１所示；

（３）兩Bank不換行平滑過渡測試。先在Bank0的同一個行內連續寫８次然后過渡到Bank1的同一個行內連續寫８次。結果顯示，在Bank0的寫操作過程中打開Bank1的一個Row，而不影響Bank0的寫操作。由于提前了足夠的時間打開Bank1，那么等Bank0的寫操作結束后，可以直接平滑的過渡到Bank1的寫操作階段，中間沒有等待。該方式下，帶寬利用率為91%。

經測試項驗證可發現：Xilinx MIG IP 核對DDR3芯片進行按地址連續存儲，效率較高。但Xilinx MIG IP 核對DDR3的隨機地址存取效率比較低。使讀寫效率降低的主要原因有：同Bank行切換、讀寫切換、IP核Bank管理方式。故可采取以下方式提高DDR3帶寬利用率：（１）降低讀寫切換的頻率；（２）采用連續地址存取的方式，減少Bank和行的切換；（３）在對MIG IP 核進行配置時，用戶接口地址映射方式采用“ROW——BANK——COLUMN”方式，降低行切換的頻率。

3 DDR3讀寫控制模塊的類FIFO封裝

為便于DDR3模塊與其他模塊對接，方便用戶的使用，對其進行類FIFO接口封裝［14-15］，整個模塊結構框圖如圖６所示。可見封裝后的DDR3模塊外部接口與FIFO非常相似，因此有效提升了使用的便捷性。DDR3模塊是由寫FIFO模塊、讀FIFO模塊、DDR3讀寫控制模塊、DDR3 IP 核４部分組成。寫FIFO模塊用來接收數據。讀FIFO模塊用來輸出從DDR3內讀取的數據。DDR3讀寫控制模塊用來控制DDR3的讀寫操作，合理切換讀寫狀態，保證讀寫效率。DDR3 IP核模塊為FPGA與DDR3的物理接口。

圖６　類FIFO接口封裝結構圖

可以看出，DDR3模塊設計的關鍵是讀寫控制狀態機的編寫。此狀態機共有３種狀態，IDLE狀態下不進行讀寫操作，WRITE狀態下進行連續寫操作，READ狀態下進行連續讀操作。根據上述分析，為保證較高的讀寫效率就要避免頻繁的讀寫切換。因此，寫FIFO的編程空信號
wr_fifo_prog_empty和讀FIFO的編程滿信號rd_fifo_prog_full均采用雙門限的設置。若寫FIFO滿，則數據會丟失，而讀FIFO滿只會使數據在DDR3內緩存，因此，寫操作的優先級高于讀操作，狀態機如圖７所示。

圖７　DDR3讀寫狀態機

為確保設計的可行性及可靠性，對編寫的DDR3讀寫控制器進行板級驗證，硬件測試中選用Xilinx公司的Kintex-7 FPGA以及Micron公司的DDR3 SDRAM芯片。DDR3工作頻率為500MHz，經測試其可對3GB/s的數據流進行穩定緩存。

4 結束語

本文對DDR3讀寫狀態機進行了設計與優化，并對DDR3在不同讀寫方式下的帶寬利用率進行了測試與分析，提出了保證帶寬率的相應措施。在此基礎上，將FPGA的DDR3的讀寫控制模塊封裝成簡單的類FIFO接口。并將其在Xilinx公司的Kintex-7 系列FPGA芯片上實現，工作穩定可靠、有較高的工作效率、接口簡單、可移植性高，為DDR3在高速數據流緩存中的應用提供了便利。