基于FPGA的DDR3用戶接口設計技術詳解

本文詳細介紹了在Xilinx Virtex-6系列FPGA中使用MIG3.7 IP核實現高速率DDR3芯片控制的設計思想和設計方案。針對高速實時數字信號處理中大容量采樣數據通過DDR3存儲和讀取的應用背景，設計和實現了適用于該背景的控制狀態機，并對控制時序作了詳盡的分析。系統測試結果表明，該設計滿足大容量數據的高速率存儲和讀取要求。

一、引言
隨著軟件無線電[1]思想的提出和FPGA技術[2]的不斷發展，高速實時數字信號處理[3]已經成為FPGA的一個重要課題，高速的采樣頻率帶來的是大容量的存儲數據。在存儲芯片領域，DDR3以較低的功耗，較快的存儲速度，較高的存儲容量和較低的價格迅速占領市場；同時在繪制PCB板圖時，DDR2對信號完整性[4]的要求比較高，在很多地方都要求T型連接；而DDR3引入了write leveling的模塊[5]，專門用于各個模塊間時鐘的對齊，因此可以采用菊花鏈的連接方式，大大方便了PCB互聯設計[6]。因此，在FPGA中使用DDR3進行大容量數據的存儲是一種趨勢。

本文基于Xilinx 公司的Virtex-6芯片，針對高速實時數字信號處理中大容量采樣數據通過DDR3存儲和讀取的應用背景，利用官方提供的IP核完成了用戶接口設計，并在該芯片上完成了驗證和實現。目前，該方案已經在某雷達系統的高速數據緩存中得到了應用。

二、系統模型
現假定背景是數字信號處理，由FPGA和DSP共同完成，FPGA主要完成數據的實時檢測和初步處理，同時負責采集和存儲原始數據。DSP主要負責信號的進一步處理。DSP的實時處理能力有限，那么就需要FPGA把感興趣時間段的數據存儲下來，再由DSP一包一包地從中讀取并進一步處理。其基本框圖如下：

?

圖1 系統背景框圖

在這里我們主要討論DDR3的控制，提取感興趣的模塊可以得到簡化的框圖：

?

圖2 DDR3用戶接口設計整體框圖

用戶接口設計是整個系統的核心，對整個系統進行調度和控制。當接收到DSP寫命令的時候，該設計開啟寫FIFO緩存功能，將對應數據按照MIG的時序要求寫入DDR3；當接收到DSP讀命令的時候，該設計按照要求產生對應的MIG讀時序，控制數據進入讀FIFO，進而完成后續操作。

三、MIG時序要求
Xilinx MIG v3.7 IP核的一般寫命令操作時序[7]如下圖所示：

?

圖3 MIG用戶接口的時序要求（突發長度為8）

由以上時序圖可以得到連續寫命令的控制要點：
1、 當app_rdy（DDR3核準備好信號）和app_en（DDR3核使能信號）同時拉高的時候， 寫命令和寫地址有效。
2、 當app_wdf_rdy（DDR3寫FIFO準備好信號）和app_wdf_en（DDR3寫FIFO使能信 號）同時拉高的時候，寫入數據有效。
3、 突發長度為8時每兩個控制周期對應一組突發數據，則每寫入兩個數據就要給出一個 app_wdf_end（幀尾信號）。
4、 寫命令與寫數據的操作時序要在兩個時鐘周期以內。

四、用戶接口設計及時序分析
由上面MIG操作時序要求提出基于等待的寫命令寫數據同時發送機制。這種方式有一個好處：數據基本不會留在DDR3的FIFO里面，這樣，就不用考慮app_wdf_rdy會拉低的情況，方便了寫數據的操作，提高了時鐘利用率。其基本思路如下圖所示：

?

圖4 基于MIG的用戶接口設計基本框圖

由上圖設計的狀態機所得的時序如下圖所示:

?

圖5 用戶設計時序圖

時刻①寫等待狀態，此時檢測到ADFIFO為空，因此保持寫等待狀態。

時刻②檢測到ADFIFO非空，于是讀使能拉高，下一個狀態為寫數據狀態。