關于期貨行情數據加速處理中基于FPGA的DDR3六通道讀寫防沖突設計詳解

0 引言

基于FPGA的期貨行情數據加速處理過程中，不同的消息類型采用并行處理的方式，并且每一次的處理結果需要使用內存來緩存一次行情數據信息。行情數據信息容量巨大，片上存儲難以滿足需求，采用DDR3 SDRAM成為首選方法。但由于DDR3只有一套數據訪問通道，不能滿足多個通道同時訪問的需求。此前的對于SDRAM的多通道解決方案中，比如曹一江等設計的基于NPI總線的片外存儲器，最大帶寬可達743 Mb/s；樊博等使用UI接口，DDR3通信的最大帶寬可達3.8 Gb/s；張宇嘉等設計的基于AXI4的DDR3多端口方案雖然傳輸速率有所提高，但由于AXI4協議本身的復雜性增加了開發使用的難度。本文實現并驗證了期貨行情數據加速處理中基于FPGA的DDR3六通道UI接口讀寫防沖突設計，簡化了DDR3多通道讀寫的復雜度，隨著有效數據周期的提升，最高端口速率可達5.0 GB/s以上，帶寬利用率可達80%以上。

1 總體設計架構

本文所設計的六通道讀寫防沖突總體架構如圖1所示，主要包括通道判優仲裁模塊、讀寫邏輯控制模塊和DDR3存儲器控制模塊。

DDR3存儲控制器模塊采用Xilinx公司的MIG核，用戶只需要通過IP核的GUI選擇內存芯片并進行相關參數設置，即可完成DDR3的配置工作。

通道判優仲裁模塊將對六路通道進行仲裁，對于同一時刻有讀寫請求的不同通道，該模塊按照優先級的高低判定訪問DDR3的順序，利用中斷思想解決多通道讀寫的沖突問題。

讀寫邏輯控制模塊控制DDR3的接口生成，根據不同操作完成對應接口的時序控制，進而實現對DDR3的正確讀寫訪問。

2 DDR3存儲器控制模塊設計

DDR3 IP核生成的控制器邏輯框圖如圖2所示，采用UI接口的方式相比于AXI4接口，不需要自己組織數據，容易操作，大大簡化了DDR3的使用復雜度，為DDR3的擴展使用帶來了方便。

2.1 存儲控制模塊寫操作

DDR3寫操作接口信號如表1所示。

寫操作過程：當app_rdy和app_wdf_rdy同時為高的情況下，寫入DDR3的地址app_addr與app_cmd綁定對齊，寫入DDR3的數據app_wdf_data與數據掩碼app_wdf_mask綁定對齊，app_cmd置為3′b000，與此同時app_en、app_wdf_wren、app_wdf_end置高，即可將數據寫到對應的地址中。

因為DDR3的寫時序不只一種，為了簡化系統設計，本文設計的用戶接口寫操作時序為地址和數據完全對齊，便于理解和操作。

2.2 存儲控制模塊讀操作

DDR3的讀操作接口信號如表2所示。

讀操作過程：在app_rdy為高時，用戶發送讀命令并同時將app_en置高，則讀命令和讀地址會寫到DDR3中，DDR3會返回數據和有效指示信號，兩者共同決定返回的數據是否有效。

通常情況下，DDR3的讀請求結束之后不會馬上返回數據，需要延遲一定的時鐘周期。

3 通道判優仲裁模塊設計

通常情況下，由于DDR3只有一組控制、地址和數據總線，因此同一時刻只能有一個通道在訪問。根據期貨交易的處理規則，優先級由高到低的順序依次為合約信息消息、市場狀態消息、品種交易狀態消息、成交統計行情消息、多檔定單簿行情消息、多檔成交量統計行情消息。在通道判優的過程中，首先將6種不同的消息經封裝后分別寄存到相應的消息緩存中，每一通道寫入消息緩存中的數據格式，從高到低位依次為寫使能、讀使能、寫數據、寫地址、讀地址；然后首先判斷合約信息消息緩存是否為空，如果不為空，則證明當前有合約信息消息的請求發生，此時狀態機會跳轉到合約信息消息處理狀態；待合約信息消息的緩存全部讀取完畢之后，再次按優先級順序判斷其他消息緩存是否為空，狀態機隨即做相應的跳轉，完成不同通道之間的切換，如圖3所示。

對于不同的消息類型，對應著不同的消息處理單元，目的是增加系統的并行處理操作，降低處理延遲。

4 讀寫邏輯控制模塊

讀寫邏輯控制模塊主要對不同類型消息做并行化處理，生成DDR3的接口信號，每個消息的處理流程如圖4所示。

對于期貨交易中的各種合約行情，種類多，但占用空間小，通常DDR3中一個地址就可完成一個行情的存儲，在行情的還原、計算、發布中，需要讀取多個行情。由于DDR3的突發長度為8，為了便于對行情的準確存取，6個通道的數據位寬均設定為DDR3位寬的1/8，即一次只存取一個地址的數據。

對于通道判優仲裁模塊輸出的數據，寫使能與讀使能均為1 bit位寬，高電平表示請求發生；寫數據為64 bit位寬；寫地址和讀地址為28 bit位寬，DDR3的數據位寬在IP核中配置為512 bit，地址位寬為28 bit。因寫數據位寬與DDR3數據位寬不匹配，所以DDR3的寫操作需要掩碼配合共同完成。

處理過程如下：首先進行讀寫判斷，若寫使能置高，則跳轉到寫操作狀態；若讀使能置高，則跳轉到讀操作狀態，若無讀寫操作，處于等待狀態。（期貨行情消息處理中不會出現同一通道讀寫同時進行的情況，因此同一通道讀寫使能同為高電平的情況不會出現。）

如果是寫操作，一方面生成寫入DDR3的地址和命令，另一方面將寫數據封裝成512 bit位寬。其中寫入DDR3的地址app_addr為{寫地址［27:3］，3′d0}，寫入的數據app_wdf_data和掩碼app_wdf_mask由寫地址［2:0］確定。數據地址命令控制模塊也會相應的產生app_en、app_wdf_wren、app_wdf_end控制信號，這些信號共同作用關于DDR3 SDRAM存儲器，配合完成DDR3的寫入操作，如圖5所示。

如果是讀操作，地址命令選擇模塊將讀地址［27:3］賦值給app_addr作為寫入DDR3的基地址，同時將讀地址［2:0］作為寫入DDR3的偏移地址存入對應通道的偏移地址緩存中，在數據地址命令控制模塊生成其他的控制信號傳送給DDR3 SDRAM存儲器。DDR3 SDRAM根據地址返回相應的512 bit位寬的數據。在返回數據的同時讀取對應通道偏移地址緩存中的偏移地址，并根據此偏移提取對應的64 bit數據從而完成DDR3的一次讀取操作，如圖6所示。

5 實驗結果與分析

5.1 實驗結果

本文以Xilinx公司的Kintex-7系列XC7K325T FPGA芯片和Micron公司的JBF9C256x72AKZ DDR3芯片為硬件平臺，并以此來驗證本文設計的正確性，分析其性能。

測試方法：六通道在同一時刻發起DDR3的讀寫請求，其中1～4通道進行DDR3的寫請求，5、6通道進行DDR3的讀請求，狀態機按照消息優先級的順序依次進行狀態跳轉完成處理，最后將數據分別返回到相應通道中，ChipScope結果如圖7所示。

5.2 實驗分析

為了更好描述設計的性能，本文引入以下參數。仲裁時間：請求信號發生到通道開始處理的時間間隔；IP核處理時間：DDR3 IP核從接收指令到返回數據的時間；有效提取時間：從512 bit的DDR3返回數據中提取對應的64 bit的時間間隔；有效數據時間：數據有效的維持時間；總時間：消息請求到數據返回的時間，即仲裁時間、IP核處理時間與有效數據時間之和。因此：

在本設計中，實測仲裁時間為3個時鐘周期，IP核處理時間為22個時鐘周期，有效提取時間2個時鐘周期，如圖8所示。

每個通道的有效數據時間不相同，性能也不相同，具體測試結果如表3所示。

測試結果表明，本設計能穩定高效地完成多通道對DDR3的訪問，隨著有效數據周期的提升，通道速率可達5 GB/s以上，帶寬利用率可達80%以上，能夠滿足期貨行情數據處理過程中的實時性要求。

6 結論

本文設計并實現了基于FPGA的DDR3六通道讀寫防沖突設計，能有效地解決在期貨行情數據處理中多通道同時訪問DDR3的沖突問題，在現有的Kintex-7系列FPGA平臺期貨行情數據處理系統中取得了良好的應用效果。測試結果表明該防沖突設計能高效正確地完成多通道對DDR3的訪問，具有穩定性好、仲裁時間固定、效率高等特點。本文設計的DDR3多通道讀寫防沖突設計簡化了多通道讀寫DDR3的復雜度，降低了在期貨行情數據處理過程中的延遲，提高了并行處理速度。