大容量高速DDR内存接口的设计实现

电子

1.引言

在当今的电子系统设计中内存被使用的越来越多，用来存放数据和程序。并且对内存的要求越来越高，要求内存读写速度尽可能的快，容量尽可能的大。面对这种趋势，设计实现大容量高速读写的内存显得尤为重要。

本文结合笔者承担的T比特路由器项目,对其中的大容量高速DDR内存接口的设计实现进行了详细阐述。本文第2节对与DDR内存相关的知识做了简单的介绍，从总体上对DDR内存有个认识；第3节阐述了DDR内存接口模块的整体设计；第4节对整个设计中的关键设计地址产生逻辑进行了详细阐述；最后总结全文。

2.DDR内存相关知识介绍

DDR SDRAM是双数据率同步动态随机存储器的缩写。它能够在一个时钟周期内传送两次数据，也就是说数据速率是时钟频率的两倍，可以达到很高的数据读写速度。此外它通过对地址线的分时复用，可以做到很大的容量。比如我们设计实现的DDR内存时钟频率可达到150MHz，数据速率为300MHz，容量达到1M x 72bit。

DDR内存为了更精确的同步使用若干对差分时钟；它还有一个独特的数据脉冲信号（DQS）。DDR内存就是根据DQS来分割一个时钟周期内的两次数据。更需要注意的是：DDR内存没有一个信号是发送读或写的明确命令的，而是通过芯片的可写状态来达到读/写的目的。具体为：片选信号（CS），行地址有效信号（RAS），列地址有效信号（CAS），写允许信号（WE）。它们都是低电平有效，它们的不同组合构成了对DDR内存的不同命令。比如CS，CAS有效，RAS无效，WE无效，表示从现在地址线指示的存储单元处读出一个数据放到数据线上；再如CS，CAS有效，RAS无效，WE有效，表示将数据线上的数据写入现在地址线指示的存储单元处。

DDR内存可以支持突发读写，并能根据不同的需要选择不同的突发长度（BL）；位宽也可以选择，并能利用掩码技术灵活的选择每次读写的有效数据宽度（以8bit为单位）；此外由于DDR内存读写时需要先激活（Active）将要读写的存储单元行，然后再读写，但DDR内存任何时候只能有一存储行是打开的（处于激活态），因此在需要读写不同存储行时，要先关闭前已打开的存储行，才能打开现在将要读写的存储单元行，这一操作被称为预充电（precharge）。另外由于DDR内存是动态存储器，需要对存储体进行周期性的刷新（refresh）。

从上面的介绍中可以看出DDR内存的性能虽然好，但接口控制很复杂。为了快速实现DDR内存接口，缩短设计周期，我们使用已经成熟的商业化内存控制器 IP 核对DDR内存进行控制。我们使用的是Altera公司的DDR Controller IP核，版本为2.2.0，使用的开发工具为Quartus II 4.1，使用VHDL语言进行描述。

3.独立内存接口模块整体设计

为了将内存接口模块设计成相对独立的模块，也为了调整不同模块之间的时钟相位差，使数据稳定输入输出，我们给DDR内存接口模块前端增加了一个入口FIFO，出口增加了一个出口FIFO。我们的功能需求是根据出口FIFO的状态确定是否将数据送往DDR内存条中进行缓存，并且设计中必须充分考虑DDR内存条存储器带宽的利用效率，设计成批量读写的模式，减少读写切换工作的开销。该内存模块具体完成以下功能：

1)使用DDR控制器IP核完成对DDR内存的初始化配置，产生读写命令和其他各种控制信号；
2)根据出口FIFO状态产生对DDR内存接口的读写请求；
3)并且整个系统对数据的缓存处理应该公平，不能有系统差别，也就是说要保证在任何情况下读出的数据都是有效的数据，写入的数据不覆盖DDR中的原有效数据；DDR内存接口模块主要功能由DDR控制器IP核完成，对DDR内存进行初始化配置，产生读写命令和其他各种控制信号。DDR控制器有两个接口：DDR－interface和local－interface。DDR－interface直接与DDR内存条相连，不需要干预。local－interface就是根据不同需要输入不同信号，可以增加自己的逻辑。我们需要设计的逻辑就是产生读写请求信号和对应的地址信息送给DDR控制器，DDR控制器把这些请求转换为对DDR内存的数据读写。因此DDR内存接口模块的重点是对地址产生逻辑的设计。我们的内存模块设计框图详见图1。

4.内存读写地址产生逻辑的FPGA设计实现

根据本模块的功能需求，在出口FIFO的状态为忙时，要将数据送往DDR内存条缓存，当出口FIFO的状态为非忙时，要将数据从DDR内存条读出送到出口FIFO。并且设计必须充分考虑DDR内存条存储器带宽的利用效率，设计成批量读写的模式，减少读写切换工作的开销。出口FIFO的状态能由门限信号th1和th2反映出来，从而根据th1和th2反馈控制地址产生逻辑。

此外还要注意数据的次序，要保证对数据的公平处理，不能对数据造成系统差别，因此整个DDR内存逻辑上是一个循环队列。还要保证：DDR内存满时，不应再写DDR内存；DDR内存空时，不应再读DDR内存。DDR内存的空满对地址产生逻辑也有重要影响。

从上面分析中看出：对地址产生逻辑有影响的信号是出口FIFO的状态指示信号th1和th2，DDR内存的空满信号；输出信号为对DDR内存的读请求rd_req和写请求wr_req，地址addr。规定：th1＝1表示出口FIFO几乎空，出口FIFO状态为非忙，可以对DDR内存发出读请求，直到th2＝1为止；th2＝1表示出口FIFO几乎满，出口FIFO状态为忙，可以对DDR内存发出写请求，直到th1＝1为止。

DDR内存的空满由读写地址的比较得出，并且要提前几个时钟周期置出。非空标志由这样的地址比较得出：rdaddr/= wraddr-2 and rdaddr/= wraddr-1 and rdaddr/=wraddra；非满标志由这样的地址比较得出： wraddr+2/=rdaddr and wraddr+3/=rdaddr and rdaddr/= wraddr+1。
读请求rd_req产生条件是： ①DDR内存非空，DDR内存满且th2＝0；
②DDR内存非空，DDR内存非满且th1＝1至th2＝1。
写请求wr_req产生条件是：①DDR内存非满，DDR内存空；
②DDR内存非满，DDR内存非空且th2＝1至th1＝1。

DDR内存模块的地址产生逻辑使用VHDL语言在Quartus II 4.1上实现，最后编程例化到Altera公司的Stratix GX系列FPGA中物理实现。仿真说明：输入时钟为150M，复位信号高有效，ready为DDR控制器准备好信号，th1＝1表示出口FIFO几乎空，在DDR内存非空时，应该读DDR内存；th2＝1表示出口FIFO几乎满，在DDR内存非满时，应该写DDR内存；输出数据为读请求信号rdreq，写请求信号wrreq，输出地址信号ddraddr（为仿真方便，仿真时的地址位宽设定为5bit）。

通过仿真从Quartus II 4.1的报告中可以看到如此设计的时钟可以最高达162.92MHz，符合设计要求的150MHz。其它功能要求也能满足。

5.结束语

本文根据电子系统对高速大容量内存的需要，使用成熟商业化DDR控制器IP核来设计独立的DDR内存接口模块，不仅能从控制的细节中解脱出来，专注于系统的关键功能设计，并且能够获得更高的性能，完全满足我们的功能性能需要。经测试该设计性能稳定，整个工作流程简单实用，符合设计要求。

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