基于FPGA的一种DDR4存储模块设计

摘要

5G通信的主要特征包括“高速率、大带宽”，为了满足高速率、大带宽数据的传输要求，需要一种存储技术对数据进行存储。本文就存储技术结合DDR4协议，设计了一种DDR4传输机制，本研究采用高性能的XCVU9P系列的FPGA芯片作为控制芯片，使用其内部自带的DDR4 SDRAM（MIG）IP核进行例化核设计。经过验证，实现在250 MHz时钟下对DDR4 SDRAM的读/写操作，数据无丢失，能够保证高速率、大带宽数据正常传输，该传输机制具有良好的可靠性、适用性及有效性。

关键词：DDR4,高速率,大带宽,FPGA

作者：谢晨、卓敏，安徽财经大学

随着通信技术的不断发展，5G技术作为当前新一代通信的热点技术将面临很多研究课题，除了要传输低速率、小带宽数据外，还需要分析高速率、大带宽数据，分析带宽从100MHz提高到1GHz，甚至更高带宽。当前最大的难题就是5G高速率的传输将会导致信号的带宽变大，因此对这些高速率的数据流进行实时处理将变得更加困难[1]。伴随着数字化的高速发展，目前存储是大容量数据存储系统的核心部分，甚至会影响到系统的性能。DDR最大的特点就是传输速率是时钟的两倍，数据同时在上升沿和下降沿同时采样[2]。

本文提出一种基于DDR4 SDRAM的高速数据缓存技术，主控器选用Xilinx公司XCVU9P系列FPGA芯片，数据缓存器选用MT40A512M16HA-083E，通过对DDR4 SDRAM的存储寻址原理及DDR4IP核的读写控制逻辑的研究，实现了在250MHz的时钟下，DDR4SDRAM能够正常进行读写操作。经过测试验证，读写数据正常，无数据丢失。

1 整体设计方案

整体设计方案使用模块化，主要包括光口传输模块、DDR4存储模块、SRIO接口模块。本设计主要对控制芯片FPGA内部逻辑进行了优化设计，其中包括DDR4控制器、不同时钟域之间的数据缓存FIFO。整体方案传输流程如图1所示。

• 光口模块：主要是接收采集模块传输过来的数据。

• DDR4存储模块：用于缓存数据，由于SRIO接口的数据传输速率慢，需要通过DDR4存储模块先将高速数据存储到DDR4中，然后再通过SRIO的时钟将数据传输给SRIO接口模块。

• SRIO接口模块：接收DDR4读出来的数据，然后传输给上位机进行测试分析。

2 DDR4 SDRAM内部结构

DDR4 SDRAM是一种内部可配置高速动态随机存储器，其内部由多个Bank组成，Bank又是由很多行和列构成[3]，DDR4的寻址操作就是对行列地址进行操作。DDR4存储器有几个重要概念，即Bank、Bank Group及Page， 例如512Mx16的8Gb容量的DDR4， 内部主要包括2个Bank Group，每个Bank Group包括4个Bank[3]。每个Bank是由多个Page组成的，通过多Page地址去选择相应的Page。

3 DDR4控制器模块设计

DDR4控制器模块设计如图2所示，将控制器分为IDLE、WR-DELAY、DDR-WR_s、RD_DELAY和DDR_RD_s五个模块。

• IDLE：初始化状态。主要对DDR4内部的信号进行初始化。当收到rd_en_reg和rd_dat_s_reg信号同时有效时，将进入RD_DELAY状态；当收到wr_en_reg信号有效时，进入WR_DELAY状态；如果在该状态下没有收到相应的有效信号将继续保持该状态。

• WR-DELAY：写等待状态。当在此状态下收到rd_en_reg有效时将会跳到IDLE状态；在没有收到rd_en_reg有效时，根据条件app_bl_cnt>=WR_BURST_CNT来判断是否已经写到规定的数据量，如果已经写到规定的数据量，将继续保持在该状态，等待其他有效信号的到来，如果没有写到规定的数据量，判断写FIFO的wr_prog_empty信号，如果wr_prog_empt无效则跳转到DDR_WR_S状态，反之wr_prog_empt有效， 则继续在该状态下等待有效信号到来。

• DDR_WR_s：写状态。此状态主要是往DDR4里写数据，由于DDR4 IP核内的Burst Length设为了8[4]，所以根据条件ddr_cnt==WR_BURST_NUM来判断，当ddr_cnt计数到了WR_BURST_NUM的值时，会跳转到WR-DELAY状态，如果没有计数到WR_BURST_NUM的值，则继续保持在该状态。

• RD_DELAY：读等待状态。当在此状态下收到wr_en_reg有效时将会跳转到IDLE状态；在没有收到wr_en_reg有效时，根据读FIFO的rd_prog_full信号来判断，如果rd_prog_full有效时则继续在该状态下等待，若无效则根据条件app_bl_cnt>=RD_BURST_CNT来判断，如果计数达到了设定的读数据量，则会跳转到IDLE状态，若没有到达设定的读数据量，则跳转到DDR_RD_s状态。

• DDR_RD_s：读状态。此状态主要是将DDR4里的数据往外读，根据条件ddr_cnt>=RD_BURST_CNT来判断，当计数达到设定的读数据量时则会跳转到IDLE状态，如果没有达到设定的读数据量，且读FIFO的rd_prog_full信号有效，则会继续在该状态下读取DDR4里的数据。

4 仿真验证

采用Vivado 2018.3软件，其中FPGA芯片型号为XCVU9P-flga2104-1-i，进行开发板上验证。在光口模块产生一组递增数，通过光口将数据发送给DDR4存储模块。通过在ILA抓取相应的信号来观察DDR4。图3是通过ILA抓取的DDR4内部信号状态图[5]。

图3 DDR4写状态1

通过图3可以看出，一开始DDR4处于初始化状态，当wr_en_reg变成高电平时，state跳转到WR_DELAY状态；当wr_prog_empty变成低电平时，state跳转到DDR_WR_s状态。之后，当app_bl_cnt计数到96250时，state跳转到WR_DELAY；如果对写数据部分放大，可以看出数据是递增数；当rd_en_reg和rd_dat_s_reg同时有效时，state从IDLE状态跳转到RD_DELAY状态，当rd_prog_full为低电平时，且app_bl_cnt未计数到RD_BURST_CNT，这个state从RD_DELAY状态跳转到DDR_RD_s状态；当ddr_cnt计数到768000时，state从DDR_RD_s状态跳转到IDLE状态；图4是对读数据部分放大，可以看出数据是正整数。

图4 DDR4读状态3

5 结束语

本研究在Xilinx 公司的XCVU9P系列FPGA芯片上完成了DDR4存储模块的读写状态机的设计、代码编写以及验证。使用其内部自带的DDR4 SDRAM（MIG）IP核进行例化核设计。经过开发板上验证，实现在250MHz时钟下对DDR4 SDRAM的读/ 写操作，数据无丢失，能够保证高速率、大带宽数据正常传输，该传输机制具有良好的可靠性、适用性及有效性。