【DDR3 控制器设计】（5）DDR3 的仲裁读写操作设计
写在前面
本系列为 DDR3 控制器设计总结，此系列包含 DDR3 控制器相关设计：认识 MIG、初始化、读写操作、FIFO 接口等。通过此系列的学习可以加深对 DDR3 读写时序的理解以及 FIFO 接口设计等，附上汇总博客直达链接。
【DDR3 控制器设计】系列博客汇总篇（附直达链接）
目录
实验任务
实验环境
实验介绍
仲裁模块设计
程序设计
仲裁模块设计
顶层模块设计
testbench 设计
仿真波形
汇总篇
实验任务
在实验的基础上添加一个仲裁模块，控制写读指令的执行。
实验环境
开发环境：Vivado 2018.2，
FPGA 芯片型号：xc7a100tffg484-2
DDR3 型号：MT41J256M16HA-125
实验介绍
由于现在设计的框架是写命令和读命令分开执行的，当写命令和读命令同时执行时就会出错，并且现在的写和读命令总线是两根独立的总线，可以将其整合到一条总线上。因此可以添加一个仲裁模块，基本思路就是优先写操作，当写使能为高时，命令总线为写命令，否则为读命令，对于 DDR 读写模块的 app_addr 信号，可以在不使用时将其置为 0，这样将 DDR 读写模块的 app_addr 进行按位或，结果即为对MIG IP 核操作的 app_addr 信号。对于 app_en 也是用同样的方法。
仲裁模块设计
仲裁设计一般分为两种：设定优先级和轮询，这里采用的是设定优先级。基本设计思想就是写操作比读操作优先程度更高，当检测到wr_req为高时，仲裁模块输出wr_start信号，标志开始进行写操作，当写操作完成后等待rd_req的信号，如果检测到rd_req信号拉高，仲裁模块则输出rd_start开始执行读操作，直至读操作完成便可开始接收wr_req信号，一直这么循环操作，读写操作有条不紊的进行。
这种读写状态的来回切换很适合设计成状态机，以下为状态机跳转图，初始状态为IDLE，当复位完成后直接跳转到ARBIT仲裁状态，接收到写请求wr_req 跳转到写状态，写完成信号wr_end拉高后又进入到仲裁状态，接收到读请求rd_req 跳转到读状态，读完成信号rd_end拉高后又进入到仲裁状态，循环往复。
程序设计
仲裁模块设计
/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/
/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/
/* Engineer : Linest-5
/* File : ddr3_arbit.v
/* Create : 2022-09-24 15:56:54
/* Revise : 2022-09-24 15:56:54
/* Module Name : ddr3_arbit
/* Description : ddr3的读写仲裁模块，设定为写优先
/* Editor : sublime text3, tab size (4)
/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/
/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/
module ddr3_arbit(
//时钟和复位
input ui_clk, //用户时钟，由MIG提供
input rst, //用户复位，高有效
input wr_req, //写请求
input rd_req, //读请求
input wr_end, //写结束标志信号
input rd_end, //读结束标志信号
output reg wr_start, //开始写操作标志信号
output reg rd_start //开始读操作标志信号
);
/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/
/* 定义参数和信号 */
/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/
parameter IDLE = 4'b0001;
parameter ARBIT = 4'b0010;
parameter WRITE = 4'b0100;
parameter READ = 4'b1000;
reg [3:0] state;
reg [3:0] next_state;
/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/
/* 三段状态机设计 */
/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/
//状态机第一段，状态初始化，时序逻辑非阻塞赋值
always @(posedge ui_clk or posedge rst) begin
if (rst) begin
state <= IDLE;
end
else begin
state <= next_state;
end
end
//状态机第二段，状态跳转，组合逻辑阻塞赋值
always @(*) begin
if (rst) begin
next_state = state;
end
else begin
case(state)
IDLE: begin
next_state = ARBIT;
end
ARBIT: begin
if (wr_req) begin
next_state = WRITE;
end
else if (rd_req) begin
next_state = READ;
end
else begin
next_state = ARBIT;
end
end
WRITE: begin
if (wr_end) begin
next_state = ARBIT;
end
else begin
next_state = WRITE;
end
end
READ: begin
if (rd_end) begin
next_state = ARBIT;
end
else begin
next_state = READ;
end
end
default: begin
next_state = IDLE;
end
endcase
end
end
//状态机第三段，结果输出，时序逻辑非阻塞赋值
always @(posedge ui_clk or posedge rst) begin
if (rst) begin
wr_start <= 'd0;
rd_start <= 'd0;
end
else begin
case(state)
IDLE: begin
wr_start <= 'd0;
rd_start <= 'd0;
end
ARBIT: begin
if (wr_req) begin
wr_start <= 'd1;
rd_start <= 'd0;
end
else if (rd_req) begin
wr_start <= 'd0;
rd_start <= 'd1;
end
else begin
wr_start <= 'd0;
rd_start <= 'd0;
end
end
WRITE: begin
wr_start <= 'd0;
rd_start <= 'd0;
end
READ: begin
wr_start <= 'd0;
rd_start <= 'd0;
end
default: begin
wr_start <= 'd0;
rd_start <= 'd0;
end
endcase
end
end
endmodule顶层模块设计
将仲裁模块进行例化，并对端口信号进行申明，对相应的信号进行相连即可。
/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/
/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/
/* Engineer : Linest-5
/* File : top_ddr3_init.v
/* Create : 2022-09-15 09:58:59
/* Revise : 2022-09-24 21:11:50
/* Module Name :
/* Description :
/* Editor : sublime text3, tab size (4)
/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/
/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/
module top_ddr3_init(
// Inouts
inout [15:0] ddr3_dq,
inout [1:0] ddr3_dqs_n,
inout [1:0] ddr3_dqs_p,
// Outputs
output [14:0] ddr3_addr,
output [2:0] ddr3_ba,
output ddr3_ras_n,
output ddr3_cas_n,
output ddr3_we_n,
output ddr3_reset_n,
output [0:0] ddr3_ck_p,
output [0:0] ddr3_ck_n,
output [0:0] ddr3_cke,
output [0:0] ddr3_cs_n,
output [1:0] ddr3_dm,
output [0:0] ddr3_odt,
// Inputs
// Differential system clocks
input sys_clk,
input rst_n
);
wire init_calib_complete;
wire ui_clk;
wire ui_clk_sync_rst;
wire [127:0] wr_data;
wire [7:0] wr_brust_len;
wire wr_start;
wire [28:0] wr_addr;
wire [2:0] wr_cmd;
wire [15:0] wr_mask;
wire data_req;
wire wr_end;
wire app_rdy;
wire app_wdf_rdy;
wire [2:0] app_cmd;
wire app_en;
wire [28:0] app_addr;
wire [127:0] app_wdf_data;
wire app_wdf_wren;
wire [15:0] app_wdf_mask;
wire app_wdf_end;
wire [7:0] rd_brust_len;
wire rd_start;
wire [28:0] rd_addr;
wire [2:0] rd_cmd;
wire [127:0] rd_data;
wire rd_data_valid;
wire rd_end;
wire [127:0] app_rd_data;
wire app_rd_data_end;
wire app_rd_data_valid;
wire wr_req;
wire rd_req;
wire [2:0] app_wr_cmd;
wire app_wr_en;
wire [28:0] app_wr_addr;
wire [2:0] app_rd_cmd;
wire app_rd_en;
wire [28:0] app_rd_addr;
assign app_en = app_wr_en | app_rd_en;
assign app_addr = app_wr_addr | app_rd_addr;
assign app_cmd = (app_wr_en == 'd1) ? 3'b000 : 3'b001;
//DDR工作时钟PLL例化
ddr3_clock ddr3_clock_inst(
.clk_out1(sys_clk_in), // output clk_out1
.clk_in1(sys_clk) // input clk_in1
);
//DDR初始化模块例化
ddr3_init u_ddr3_init (
// Memory interface ports
.ddr3_addr (ddr3_addr), // output [14:0] ddr3_addr
.ddr3_ba (ddr3_ba), // output [2:0] ddr3_ba
.ddr3_cas_n (ddr3_cas_n), // output ddr3_cas_n
.ddr3_ck_n (ddr3_ck_n), // output [0:0] ddr3_ck_n
.ddr3_ck_p (ddr3_ck_p), // output [0:0] ddr3_ck_p
.ddr3_cke (ddr3_cke), // output [0:0] ddr3_cke
.ddr3_ras_n (ddr3_ras_n), // output ddr3_ras_n
.ddr3_reset_n (ddr3_reset_n), // output ddr3_reset_n
.ddr3_we_n (ddr3_we_n), // output ddr3_we_n
.ddr3_dq (ddr3_dq), // inout [15:0] ddr3_dq
.ddr3_dqs_n (ddr3_dqs_n), // inout [1:0] ddr3_dqs_n
.ddr3_dqs_p (ddr3_dqs_p), // inout [1:0] ddr3_dqs_p
.init_calib_complete (init_calib_complete), // output init_calib_complete
.ddr3_cs_n (ddr3_cs_n), // output [0:0] ddr3_cs_n
.ddr3_dm (ddr3_dm), // output [1:0] ddr3_dm
.ddr3_odt (ddr3_odt), // output [0:0] ddr3_odt
// Application interface ports
.app_addr (app_addr), // input [28:0] app_addr
.app_cmd (app_cmd), // input [2:0] app_cmd
.app_en (app_en), // input app_en
.app_wdf_data (app_wdf_data), // input [127:0] app_wdf_data
.app_wdf_end (app_wdf_wren), // input app_wdf_end
.app_wdf_wren (app_wdf_wren), // input app_wdf_wren
.app_rd_data (app_rd_data), // output [127:0] app_rd_data
.app_rd_data_end (app_rd_data_end), // output app_rd_data_end
.app_rd_data_valid (app_rd_data_valid), // output app_rd_data_valid
.app_rdy (app_rdy), // output app_rdy
.app_wdf_rdy (app_wdf_rdy), // output app_wdf_rdy
.app_sr_req (1'b0), // input app_sr_req
.app_ref_req (1'b0), // input app_ref_req
.app_zq_req (1'b0), // input app_zq_req
.app_sr_active (app_sr_active), // output app_sr_active
.app_ref_ack (app_ref_ack), // output app_ref_ack
.app_zq_ack (app_zq_ack), // output app_zq_ack
.ui_clk (ui_clk), // output ui_clk
.ui_clk_sync_rst (ui_clk_sync_rst), // output ui_clk_sync_rst
.app_wdf_mask (app_wdf_mask), // input [15:0] app_wdf_mask
// System Clock Ports
.sys_clk_i (sys_clk_in), // input sys_clk_i
.sys_rst (rst_n) // input sys_rst
);
//DDR仲裁模块例化
ddr3_arbit inst_ddr3_arbit (
.ui_clk (ui_clk),
.rst (ui_clk_sync_rst || (~init_calib_complete)),
.wr_req (wr_req),
.rd_req (rd_req),
.wr_end (wr_end),
.rd_end (rd_end),
.wr_start (wr_start),
.rd_start (rd_start)
);
//DDR写操作模块例化
ddr3_wr_ctrl inst_ddr3_wr_ctrl (
.ui_clk (ui_clk),
.rst (ui_clk_sync_rst || (~init_calib_complete)),
.wr_data (wr_data),
.wr_brust_len (wr_brust_len),
.wr_start (wr_start),
.wr_addr (wr_addr),
.wr_cmd (wr_cmd),
.wr_mask (wr_mask),
.data_req (data_req),
.wr_end (wr_end),
.app_rdy (app_rdy),
.app_wdf_rdy (app_wdf_rdy),
.app_cmd (app_wr_cmd),
.app_en (app_wr_en),
.app_addr (app_wr_addr),
.app_wdf_data (app_wdf_data),
.app_wdf_wren (app_wdf_wren),
.app_wdf_mask (app_wdf_mask),
.app_wdf_end (app_wdf_end)
);
//DDR读操作模块例化
ddr3_rd inst_ddr3_rd (
.ui_clk (ui_clk),
.rst (ui_clk_sync_rst || (~init_calib_complete)),
.init_calib_complete (init_calib_complete),
.rd_brust_len (rd_brust_len),
.rd_start (rd_start),
.rd_addr (rd_addr),
.rd_cmd (rd_cmd),
.rd_data (rd_data),
.rd_data_valid (rd_data_valid),
.rd_end (rd_end),
.app_rdy (app_rdy),
.app_rd_data (app_rd_data),
.app_rd_data_end (app_rd_data_end),
.app_rd_data_valid (app_rd_data_valid),
.app_cmd (app_rd_cmd),
.app_en (app_rd_en),
.app_addr (app_rd_addr)
);
endmodule
testbench 设计
/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/
/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/
/* Engineer : Linest-5
/* File : tb_top_ddr3_init.v
/* Create : 2022-09-15 10:10:36
/* Revise : 2022-09-24 19:48:54
/* Module Name :
/* Description :
/* Editor : sublime text3, tab size (4)
/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/
/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/
`timescale 1ns / 1ps
module tb_top_ddr3_init();
reg sys_clk;
reg rst_n;
wire [15:0] ddr3_dq;
wire [1:0] ddr3_dqs_n;
wire [1:0] ddr3_dqs_p;
wire [14:0] ddr3_addr;
wire [2:0] ddr3_ba;
wire ddr3_ras_n;
wire ddr3_cas_n;
wire ddr3_we_n;
wire ddr3_reset_n;
wire [0:0] ddr3_ck_p;
wire [0:0] ddr3_ck_n;
wire [0:0] ddr3_cke;
wire [0:0] ddr3_cs_n;
wire [1:0] ddr3_dm;
wire [0:0] ddr3_odt;
//wr_ddr
reg ui_clk;
reg wr_rst;
reg data_req;
reg [127:0] wr_data;
reg [7:0] wr_brust_len;
reg wr_start;
reg [28:0] wr_addr;
reg [2:0] wr_cmd;
//rd_ddr
reg rd_rst;
reg [7:0] rd_brust_len;
reg [127:0] rd_data;
reg rd_start;
reg [28:0] rd_addr;
reg [2:0] rd_cmd;
reg app_rdy;
reg [127:0] app_rd_data;
reg app_rd_data_end;
reg app_rd_data_valid;
reg [2:0] app_cmd;
reg wr_req;
reg rd_req;
initial begin
sys_clk = 'd1;
rst_n <= 'd0;
#200
rst_n <= 'd1;
end
initial begin
data_req = 'd0;
wr_data = 'd0;
wr_brust_len = 'd64;
wr_addr = 'd0;
wr_cmd = 3'b000;
force ui_clk = inst_top_ddr3_init.inst_ddr3_wr_ctrl.ui_clk;
force wr_rst = inst_top_ddr3_init.inst_ddr3_wr_ctrl.rst;
force data_req = inst_top_ddr3_init.inst_ddr3_wr_ctrl.data_req;
force wr_start = inst_top_ddr3_init.inst_ddr3_wr_ctrl.wr_start;
force inst_top_ddr3_init.wr_brust_len = wr_brust_len;
force inst_top_ddr3_init.wr_addr = wr_addr;
force inst_top_ddr3_init.wr_cmd = wr_cmd;
force inst_top_ddr3_init.wr_data = wr_data;
force inst_top_ddr3_init.wr_req = wr_req;
force inst_top_ddr3_init.rd_req = rd_req;
rd_brust_len = 'd64;
rd_addr = 'd0;
rd_cmd = 3'b001;
force ui_clk = inst_top_ddr3_init.inst_ddr3_rd.ui_clk;
force rd_rst = inst_top_ddr3_init.inst_ddr3_rd.rst;
force rd_data = inst_top_ddr3_init.inst_ddr3_rd.rd_data;
force rd_start = inst_top_ddr3_init.inst_ddr3_rd.rd_start;
force inst_top_ddr3_init.rd_brust_len = rd_brust_len;
force inst_top_ddr3_init.rd_addr = rd_addr;
force inst_top_ddr3_init.rd_cmd = rd_cmd;
end
initial begin
#100
gen_req();
end
always @(posedge ui_clk or posedge rd_rst) begin
if (rd_rst) begin
rd_req <= 'd0;
end
else if (wr_req) begin
rd_req <= 'd1;
end
else if (rd_start) begin
rd_req <= 'd0;
end
else begin
rd_req <= rd_req;
end
end
always @(posedge ui_clk or posedge rd_rst) begin
if (rd_rst) begin
wr_data <= 'd0;
end
else if (wr_data == 'd63) begin
wr_data <= 'd0;
end
else if (data_req) begin
wr_data <= wr_data + 'd1;
end
else begin
wr_data <= wr_data;
end
end
task gen_req;
begin
@ (negedge wr_rst);
@ (posedge ui_clk);
@ (posedge ui_clk);
@ (posedge ui_clk);
@ (posedge ui_clk);
@ (posedge ui_clk);
wr_req <= 'd1;
#200
wr_req <= 'd0;
end
endtask
// task gen_data;
// integer i;
// begin
// @ (posedge data_req);
// for (i=0;i<64;i=i+1) begin
// wr_data = {96'd0,i[31:0]};
// @ (posedge ui_clk);
// if (data_req == 'd0) begin
// i = i - 1;
// end
// end
// wr_data = 'd0;
// @ (posedge ui_clk);
// end
// endtask
always #10 sys_clk = ~sys_clk;
top_ddr3_init inst_top_ddr3_init (
.ddr3_dq (ddr3_dq),
.ddr3_dqs_n (ddr3_dqs_n),
.ddr3_dqs_p (ddr3_dqs_p),
.ddr3_addr (ddr3_addr),
.ddr3_ba (ddr3_ba),
.ddr3_ras_n (ddr3_ras_n),
.ddr3_cas_n (ddr3_cas_n),
.ddr3_we_n (ddr3_we_n),
.ddr3_reset_n (ddr3_reset_n),
.ddr3_ck_p (ddr3_ck_p),
.ddr3_ck_n (ddr3_ck_n),
.ddr3_cke (ddr3_cke),
.ddr3_cs_n (ddr3_cs_n),
.ddr3_dm (ddr3_dm),
.ddr3_odt (ddr3_odt),
.sys_clk (sys_clk),
.rst_n (rst_n)
);
ddr3_model u_comp_ddr3 (
.rst_n (ddr3_reset_n),
.ck (ddr3_ck_p),
.ck_n (ddr3_ck_n),
.cke (ddr3_cke),
.cs_n (ddr3_cs_n),
.ras_n (ddr3_ras_n),
.cas_n (ddr3_cas_n),
.we_n (ddr3_we_n),
.dm_tdqs ({ddr3_dm[1],ddr3_dm[0]}),
.ba (ddr3_ba),
.addr (ddr3_addr),
.dq (ddr3_dq[15:0]),
.dqs ({ddr3_dqs_p[1],
ddr3_dqs_p[0]}),
.dqs_n ({ddr3_dqs_n[1],
ddr3_dqs_n[0]}),
.tdqs_n (),
.odt (ddr3_odt)
);
endmodule
仿真波形
对信号进行分组，分别为初始化部分、写部分、读部分、仲裁部分、用户部分。
总体部分
可以看到下图的仿真波形中，首先进行了写操作，随后进行读操作，对具体的模块进行观察。
初始化部分
看到 init_calib_complete 信号拉高表示 DDR3 完成初始化，可以开始对其进行读写操作。其余信号暂时不管。
写操作部分
首先开始写操作标志信号拉高，表示开始进行写操作，指令部分：3'b000执行写操作、突发长度为64、初始写地址为0，wr_req 拉高获取数据，写入数据依次加1，wr_end 信号拉高表示写操作完成，写入数据0-63。
将波形放大观察，可以看到当写请求拉高时，写入的数据依次加1，并且地址依次累加8，因为写入的数据为128bit，而DDR中地址每个位宽为16，每次写入填充8个地址。
读操作部分
当rd_start拉高标志着开始进行读操作，突发读长度64，初始地址为0，从下图可以看到当读使能拉高时，读地址依次加8，原因和写操作一样，但是读出的数据并不是立即呈现，而是要经过若干个时钟周期。
读出的数据为0-63，当最后一个数被读出后，同步的读操作完成信号 rd_end 拉高。
仲裁部分和用户部分
主要分为以下几个阶段：
- 复位完成，状态跳转至 ARBIT 仲裁状态
- wr_req 和 rd_req 同时拉高，但是仲裁器先执行写操作，写操作标志信号 wr_start 拉高，跳转至 WRITE 写状态
- 当写完成信号 wr_end 拉高，此时 rd_req 仍然拉高，读操作标志信号 rd_start 拉高，跳转至 READ 写状态
- 读完成信号 rd_end 拉高，依次写读操作完成，状态重新跳转至 ARBIT 仲裁状态
可以看到在用户端的信号也是和设计呈现的一致。
控制台部分
在控制台打印的信息，首先是写操作，从地址0开始写入数据，依次写入0-63。
最后一个数据为63，最后一个地址为511（16进制的1ff），也就是写入地址为0-511，符合设计要求。
读操作和写操作也是一样，读出数据0-63，读出地址0-511。
至此完成仲裁模块设计的验证！
汇总篇
本系列为 DDR3 控制器设计总结，此系列包含 DDR3 控制器相关设计：认识 MIG、初始化、读写操作、FIFO 接口等。通过此系列的学习可以加深对 DDR3 读写时序的理解以及 FIFO 接口设计等，附上汇总博客直达链接。
【DDR3 控制器设计】系列博客汇总篇（附直达链接）