基于Spartan-6的DDR3 IP核应用

一、MCB模块介绍
大多数的Spartan-6器件（除了-3N速度等级的）包含有专用的存储器控制器模块（简称MCB），每个模块可以控制单芯片的DRAM（包括DDR、DDR2、DDR3或者LPDDR），支持800Mb/s的访问速率。每个芯片最多有四个MCB，分布于芯片左右两边的BANK，每个BANK一个，可以通过FPGA Editor查看，如图1中红色小方块即MCB模块。

图1 MCB位置分布
MCB可以连接到4、8或16位的外部DRAM，并且IO都定义了对应的存储器管脚，方便用户应用时分配管脚。如果不使用MCB的话，这些IO可以作为通用IO使用，MCB部分管脚定义如图2所示。

图2 MCB定义的存储器管脚
MCB模块信号和架构框图如图3所示，了解内部框图有助于梳理IP核的逻辑架构，更好的完成用户端的逻辑设计。IP核将Memory的控制已经做好并封装起来，提供了FIFO接口给用户端控制，用户只要完成指令FIFO和数据FIFO的读写操作，就能顺利完成对DDR3物理芯片的控制，非常方便。

图3 MCB信号和内部架构框图
二、IP核生成步骤
图4-图17是在ISE14.7环境下生成DDR3 IP核的步骤，按照图中设置一步一步点到最后即可生成：

图4 选择MIG

图5 MIG初始界面

图6 IP核命名

图7 兼容型号选择

图8 存储器类型选择

图9 存储器型号参数设置

图10 终端匹配设置

图11 用户端口设置

图12 用户端口操作顺序设置

图13 时钟类型、终端电阻设置

图14 已设置信息

图15 仿真模型选择

图16 PCB设计参考文档推荐

图17 生成IP核
点击生成后会在相应的路径下产生三个新的文件夹如图18所示，其中docs为MCB的使用指南文档，example_design是IP核做好的测试范例，生成随机数写入到DDR3里面再读回来比较是否正确，可以用来测试DDR3是否工作正常，也有仿真激励，方便用户学习IP核相关信号的时序。user_design就是用户设计使用的逻辑代码，用户可根据IP核提供的用户端口信号时序进行写、读数据，完成对DDR3的操作。

图18 生成的IP核文件夹
user_design包含的文件夹如图19，包括自动生成的ucf文件，rtl代码及仿真文件等。

图19 user_design内容介绍
三、MCB时序分析
DDR3 IP核提供了端口给用户操作，以FIFO的形式与MCB交互数据，时序简单容易操作。在生成IP核时有一步是选择用户端口模式，提供了5种端口模式供用户选择，不同模式仅与端口个数和位宽有关，操作时序和流程都是一致的，我们所要了解的就是根据时序按照流程完成对端口的操作，如图20所示：
（1）模式1：两路双向32位端口，四路单向32位端口（可配置为读或写，需读和写为一组）。
（2）模式2：四路双向32位端口。
（3）模式3：一路64位双向端口，两路32位双向端口。
（4）模式4：两路64位双向端口。
（5）模式5：一路128位双向端口。

图20 用户端口模式
每一路端口都有一组FIFO，包括指令FIFO，写数据FIFO和读数据FIFO，具体定义如下。
（1）指令FIFO，时序如图21所示。

图21 指令FIFO时序
pX_cmd_clk：指令FIFO同步时钟；
pX_cmd_en：MCB指令使能信号，高电平有效；
pX_cmd_instr[2:0]：MCB控制指令，一般为读或者写指令；
pX_cmd_bl[5:0]： MCB读或写一次的深度，最大为64；
pX_cmd_byte_addr[29:0]：DDR3的地址空间；
pX_cmd_empty：指令FIFO空标志，该FIFO最多可以缓冲3个指令；
pX_cmd_full：指令FIFO满标志，缓冲3个指令即满，
上图为指令FIFO的时序，以pX_cmd_clk为同步时钟，当pX_cmd_en（p0_cmd_en代表p0端口的指令使能信号，本文中设置使用一个端口p0，并且选择128bit的最大位宽）高电平有效一个pX_cmd_clk时钟周期，就能进行一条写或读指令。指令的具体形式是通过pX_cmd_instr来设置，一般常用的是读和写指令。当指令有效后，MCB就可以和DDR3物理芯片进行数据的交互。pX_cmd_bl是当前一次读写的深度，若pX_cmd_bl=63，此时MCB的位宽设置为128bit，那么每发送一条读或写指令，可以从DDR3中读或往DDR3中写128bitX64=1KB大小的数据。pX_cmd_byte_addr为此次数据的读或写的起始地址，完成一次操作后地址会自动增加。比如一次写128bitX64的数据，并且本次操作的起始地址 pX_cmd_byte_addr为0，那么读或写完后，结束地址则为1023，下次的读或写地址应当从 1024开始，可以看出地址空间是以Byte（8bit）的形式来计算的。pX_cmd_empty和pX_cmd_full则是指令FIFO的空和满的状态指示信号，最多可以缓冲3条指令。
（2）写数据FIFO，时序如图22所示。

图22 写数据FIFO时序
pX_wr_clk：写数据FIFO同步时钟；
pX_wr_en：写使能信号，高电平有效期间，每一个时钟的上升沿写入一个数据到FIFO；
pX_wr_mask[3:0]：数据屏蔽；
pX_wr_empy： FIFO空指示；
pX_wr_full：FIFO满指示；
pX_wr_underrun：FIFO溢出指示；
pX_wr_count[6:0]：写入FIFO的数据个数，计数器为异步信号，不准确，只能做参考。
通过MCB操作DDR3芯片，数据并不是直接发送给DDR3，我们先要把数据写入MCB的写数据FIFO中，然后DDR3的控制器再将数据从FIFO中读出，依照DDR3的指令写入到DDR3物理芯片中。
在pX_wr_en高电平期间，每个pX_wr_clk的上升沿写入一个数据到写数据FIFO中。当FIFO没有数据的时候，pX_wr_empy为高电平，当FIFO满的时候则pX_wr_full为高电平，在实际应用中应该避免 pX_wr_full信号有效，当pX_wr_underrun有效时就说明FIFO已经溢出了。pX_wr_count指示当前写入到FIFO的数据个数，由于pX_wr_count也是异步操作，并不能真实反映当前写入的数据个数，但可以作大概评估。比如当我们设置一次写入FIFO数据为64时，并不需要等FIFO写满才发送写指令，可以在pX_wr_count为32的时候就发写指令，能够提高内存的使用效率。
（3）读数据FIFO，时序如图23所示。

图23 读数据FIFO时序
pX_rd_clk：读数据FIFO同步时钟。
pX_rd_en：读使能信号，高电平有效期间，每一个时钟的上升沿从FIFO中读一个数据。
pX_rd_empy：FIFO空指示。
pX_rd_full：FIFO满指示。
pX_rd_underrun：FIFO空时仍然读的溢出指示信号。
pX_rd_count[6:0]：FIFO中可供读取的数据个数，不准确，只能做参考。
同样，如果需要从DDR3芯片中读取数据，也不能直接读取到，必须经过MCB的读数据FIFO。读取FIFO的数据之前，先要进行通过指令FIFO发送一次读 DDR3的指令，由MCB将数据从DDR3物理芯片搬运到读数据 FIFO中，用户再从FIFO中将数据读走。
当 pX_rd_empy 为低电平的时候，表示FIFO非空，则此时可以从FIFO中读取数据，当pX_rd_empy为高电平，表示FIFO为空，此时不能读FIFO。pX_rd_en高电平时，每一个pX_rd_clk的上升沿，可以从FIFO中读取一个数据。pX_rd_full表示FIFO数据满。pX_rd_underrun表示FIFO没有数据时还读出数据的错误指示。pX_rd_count也是异步操作信号，可用来大致评估FIFO中数据个数，当检测到 pX_rd_count大于32的时候，开始从FIFO中读取数据，便于提高利用效率。
四、应用实例
对MCB核有了一定的了解后，下一步就是进行实践操作了。本次工程设计了一个单端口128位模式下，对DDR3全地址空间写数据再读回来对比的测试，按照用户端口的操作流程，先写一个128bit数据到写数据FIFO中，再将写指令写到指令FIFO中，写指令发送完成后将数据和地址递增，直到写满整个地址空间。写完成后开始进行读数据操作，先发送读指令到指令FIFO中，然后等待读数据FIFO非空时将数据读走，将地址递增，直到读完整个地址空间。每读一个数据对比一次，如果不对，则将error信号置为1。
逻辑设计完后，将生成的位流文件烧写到板上验证，并且使用chipscope观测信号波形是否与时序一致，可以看到写操作波形如图24所示：

图24 写数据操作波形
用chipscope观测到的读操作波形如图25所示：

图25 读数据操作波形