【正点原子FPGA连载】第三十一章DDR4读写测试实验 摘自【正点原子】DFZU2EG/4EV MPSoC 之FPGA开发指南V1.0

1）实验平台：正点原子MPSoC开发板
2）平台购买地址：https://detail.tmall.com/item.htm?id=692450874670
3）全套实验源码+手册+视频下载地址： http://www.openedv.com/thread-340252-1-1.html

第三十一章DDR4读写测试实验

DDR4 SDRAM（Double-Data-Rate Fourth Generation Synchronous Dynamic Random Access Memory，简称为DDR4 SDRAM），是一种高速动态随机存取存储器，它属于SDRAM家族的存储器产品，提供了相较于DDR3 SDRAM更高的运行性能与更低的电压。
本章包括以下几个部分：
243131.1MIG简介
31.2实验任务
31.3硬件设计
31.4程序设计
31.5下载验证
31.1MIG简介
DFZU2EG/4EV MPSoC开发板板载了五片镁光的DDR4颗粒，它们的型号是MT40A256M16，这5片DDR4芯片有4片位于PS端，有1片位于PL端，本节实验使用的是位于PL端的DDR4芯片。下面我们来简单了解一下这款板载的DDR4芯片，DDR4内部结构图如下所示：

图 31.1.1 DDR4结构图
从上图我们可以看到，DFZU2EG/4EV MPSoC开发板板载的这款DDR4芯片的行地址是15bit位宽，列地址是10bit位宽，而整个存储区域分为两个BANK组，每个BANK组又由4个子BANK组成，所以整片DDR4的容量就是2^15*210816bit=256M16bit。DDR4相较于DDR3在指令引脚上也发生了变化，DDR4取消了我们所熟悉的使能WE、行激活RAS和列激活CAS这三个命令引脚，而是将这三个命令引脚和地址线A14、A15以及A16复用了。除此之外在寻址的时候也不再是直接去寻址BANK，而是先寻址BANK组，然后再找到这个BANK组中的某个子BANK。整个数据的吞吐是8倍预取，因此数据在读写的时候就是16bit8=128bit的数据量进行吞吐（注意虽然是8倍预取，但是每一次IO引脚上的数据传输依旧是16bit，因为数据线就16根，至于为何可以达到8倍预取和DDR4内部的双沿采样，FIFO缓冲，写数据逻辑结构有关）。
关于DDR4更详细的介绍大家可以去参考镁光的官方数据手册，这里不再赘述。
由于DDR4的时序非常复杂，如果直接编写DDR4的控制器代码，那么工作量是非常大的，且性能难以得到保证。值得一提的是，Vivado软件自带了DDR4控制器IP核，用户可以直接借助IP核来实现对DDR4的读写操作，从而大大降低了DDR4的开发难度。本次实验将使用Xilinx公司MIG(Memory Interface Generators) IP核来实现DDR4读写测试。
MIG IP核是Xilinx公司针对DDR存储器开发的IP，里面集成存储器控制模块，实现DDR读写操作的控制流程，下图是MIG IP 核结构框图。MIG IP核对外分出了两组接口，左侧是用户接口，就是用户（FPGA）同MIG 交互的接口，用户只有充分掌握了这些接口才能操作MIG；右侧为DDR物理芯片接口，负责产生具体的操作时序，并直接操作芯片管脚，这一侧用户只负责分配正确的管脚，其他不用关心。

图 31.1.2 MIG IP 核结构框图
使用这个IP 核，用户将可以进行DDR4的读写操作，而不必熟悉DDR4具体的读写控制时序，当然用户必须掌握用户接口侧的操作时序，并严格遵照时序来编写代码，这样才能正确实现对DDR4的读写操作。在了解具体时序之前，大家有必要先了解相关的信号定义。下图给出了MIG IP核用户接口的信号及其说明。

图 31.1.3 用户接口信号定义
MIG IP核用户侧端口数量共26个，当然用户并不用去关心所有的信号，只需要了解本实验要用到几组重要信号。下面将对这些信号逐一讲解并以表格的形式呈现给大家。为了与官方的文档保持一致，表中标明的信号的方向是以MIG IP核作为参照的，例如表格中的信号方向定义为输出，那么相对于用户端（FPGA）来说实际上是输入。
表 31.1.1 MIG IP 核用户接口部分信号定义

以上是用户需要用到的信号，其他信号请大家自行了解。
DDR4的读或者写都包含写命令操作，其中写操作命令（app_cmd）的值等于0，读操作app_cmd的值等于1。首先来看写命令时序，如下图所示。首先检查app_rdy，为高则表明此时IP核命令接收处于准备好状态，可以接收用户命令，在当前时钟拉高app_en，同时发送命令（app_cmd）和地址（app_addr），此时命令和地址被写入。

图 31.1.4 写命令时序
下面来看写数据的时序，如下图所示。

图 31.1.5 非背靠背写时序
如上图所示，写数据有三种情形均可以正确写入：
（1）写数据时序和写命令时序发生在同一拍；
（2）写数据时序比写命令时序提前一拍；
（3）写数据时序比写命令时序至多延迟晚两拍；
结合上图，写时序总结如下：首先需要检查app_wdf_rdy，该信号为高表明此时IP核数据接收处于准备完成状态，可以接收用户发过来的数据，在当前时钟拉高写使能（app_wdf_wren），给出写数据（app_wdf_data）。这样加上发起的写命令操作就可以成功向IP核写数据。这里有一个信号app_wdf_mask，它是用来屏蔽写入数据的，该信号为高则屏蔽相应的字节，该信号为0默认不屏蔽任何字节。
这里需要指出的是，DDR4的读或者写操作都可以分为背靠背和非背靠背两种情形。背靠背，即读或者写每个时钟都连续进行，中间没有间隙；非背靠背写则是非连续的读写。
对于背靠背写，其实也有三种情形，唯一点不同的是，它没有最大延迟限制，如下图所示。

图 31.1.6 背靠背写时序
接着来看读数据，如下图所示：

图 31.1.7 读时序
读时序比较简单，发出读命令后，用户只需等待数据有效信号（app_rd_data_valid）拉高，为高表明此时数据总线上的数据是有效的返回数据。需要注意的是，在发出读命令后，有效读数据要晚若干周期才出现在数据总线上。下面是背靠背读的情况，如下图所示。

图 31.1.8 背靠背读时序图
需要注意的是，在连续读的时候，读到的数据顺序跟请求的命令/地址是相对应的。通常使用DDR4的时候，为了最大限度地提高DDR4效能，充分利用突发写的特点，非背靠背很少用，而更多地采用背靠背操作。本章实验的读写操作就是基于背靠背模式操作的。
31.2实验任务
本节的实验任务是先向DDR4的存储器地址0至999分别写入数据0_{999；写完之后再读取存储器地址0}999中的数据，若读取的值全部正确则LED灯常亮，否则LED灯闪烁。
31.3硬件设计
本节实验使用的是PL端的DDR4，如果想使用PS端的DDR4，可以参考正点原子的嵌入式Vitis开发指南教程。PL端DDR4的硬件原理图如下图所示。在PCB的设计上，完全遵照Xilinx的DDR4硬件设计规范，严格保证等长设计和阻抗控制，从而保证高速信号的数据传输的可靠性。

图 31.3.1 DDR4硬件原理图
接下来我们来看看本节实验所用到的管脚，管脚分配可以放在工程的XDC文件中，也可以打开io planning窗口在io ports栏中分配管脚。我们本节实验用到的管脚如下表所示（因为管脚太多这里只贴出部分管脚）：
表 31.3.1 DDR4读写测试实验部分管脚分配
信号名 方向 管脚 端口说明 电平标准
sys_clk_p input AE5 系统差分输入时钟 DIFF_HSTL_I_12
sys_clk_n input AF5 系统差分输入时钟 DIFF_HSTL_I_12
sys_rst_n input AH11 系统复位按键，低电平有效 LVCMOS33
led output AE10 读写结果指示灯 LVCMOS33
c0_ddr4_dq[15] inout AC4 DDR4数据 POD12
c0_ddr4_dq[14] inout AC3 DDR4数据 POD12
c0_ddr4_dq[13] inout AB4 DDR4数据 POD12
c0_ddr4_dq[12] inout AB3 DDR4数据 POD12
c0_ddr4_dq[11] inout AB2 DDR4数据 POD12
c0_ddr4_dq[10] inout AC2 DDR4数据 POD12
c0_ddr4_dq[9] inout AB1 DDR4数据 POD12
c0_ddr4_dq[8] inout AC1 DDR4数据 POD12
c0_ddr4_dq[7] inout AG3 DDR4数据 POD12
c0_ddr4_dq[6] inout AH3 DDR4数据 POD12
c0_ddr4_dq[5] inout AE3 DDR4数据 POD12
c0_ddr4_dq[4] inout AF3 DDR4数据 POD12
c0_ddr4_dq[3] inout AH2 DDR4数据 POD12
c0_ddr4_dq[2] inout AH1 DDR4数据 POD12
c0_ddr4_dq[1] inout AF1 DDR4数据 POD12
c0_ddr4_dq[0] inout AG1 DDR4数据 POD12
c0_ddr4_dqs_t[1]} inout AD2 DDR4数据选取脉冲 DIFF_ POD12
c0_ddr4_dqs_c[1]} inout AD1 DDR4数据选取脉冲 DIFF_ POD12
c0_ddr4_dqs_t[0]} inout AE2 DDR4数据选取脉冲 DIFF_ POD12
c0_ddr4_dqs_c[0]} inout AF2 DDR4数据选取脉冲 DIFF_ POD12
c0_ddr4_adr[16] output AB5 DDR4地址线 SSTL12
c0_ddr4_adr[15] output AB7 DDR4地址线 SSTL12
c0_ddr4_adr[14] output AF6 DDR4地址线 SSTL12
c0_ddr4_adr[13] output AD9 DDR4地址线 SSTL12
c0_ddr4_adr[12] output AC6 DDR4地址线 SSTL12
c0_ddr4_adr[11] output AH9 DDR4地址线 SSTL12
c0_ddr4_adr[10] output AE7 DDR4地址线 SSTL12
c0_ddr4_adr[9] output AC9 DDR4地址线 SSTL12
c0_ddr4_adr[8] output AH8 DDR4地址线 SSTL12
c0_ddr4_adr[7] output AE9 DDR4地址线 SSTL12
c0_ddr4_adr[6] output AH7 DDR4地址线 SSTL12
c0_ddr4_adr[5] output AD7 DDR4地址线 SSTL12
c0_ddr4_adr[4] output AF7 DDR4地址线 SSTL12
c0_ddr4_adr[3] output AC8 DDR4地址线 SSTL12
c0_ddr4_adr[2] output AF8 DDR4地址线 SSTL12
c0_ddr4_adr[1] output AB8 DDR4地址线 SSTL12
c0_ddr4_adr[0] output AG8 DDR4地址线 SSTL12
c0_ddr4_ba[1] output AC7 DDR4 Bank地址 SSTL12
c0_ddr4_ba[0] output AH6 DDR4 Bank地址 SSTL12
c0_ddr4_bg output AE8 DDR4 Bank组地址 SSTL12
c0_ddr4_reset_n output AG9 DDR4 复位信号 LVCMOS12
c0_ddr4_cke output AE4 DDR4 时钟使能信号 SSTL12
c0_ddr4_cs_n output AB6 DDR4 片选信号 SSTL12
c0_ddr4_dm_dbi_n[1] output AD5 DDR4 数据掩码 POD12
c0_ddr4_dm_dbi_n[0] output AG4 DDR4 数据掩码 POD12
c0_ddr4_odt output E2 DDR4 终端电阻使能 SSTL12
c0_ddr4_ck_t output AG6 DDR4 差分时钟正 DIFF_ SSTL12
c0_ddr4_ck_c output AG5 DDR4 差分时钟负 DIFF_ SSTL12

如上表所示，本次实验用到了五种电平，分别是LVCMOS、SSTL、POD12、DIFF_SSTL以及DIFF_ POD12，下面对于这五种电平我们做一个简单的介绍。
LVCMOS：全称Low Voltage Complementary Metal Oxide Semiconductor，低压互补金属氧化物半导体；
SSTL：全称Stub Series Terminated Logic，短截线串联端接逻辑；
DIFF_SSTL：全称Difference Stub Series Terminated Logic，差分短截线串联端接逻辑；
POD12：POD12是由VDDQ端提供的电压，一般用于DDR4，当POD12电压驱动端的上拉电路导通，电路处于高电平时，回路上没有电流流过，这样的设计较少了功耗；
DIFF_ POD12：与POD12一样，只不过是差分电压。
除此之外，LVCMOS的特点是噪声容限大，速度较SSTL慢；SSTL速度快，通常要匹配合适的端接电阻，常用于高速内存接口如DDR4；DIFF_SSTL则是带有差分功能的SSTL。POD和SSTL的最大区别在于接收端的终端电压（POD为VDDQ，SSTL为VDDQ/2）。POD可以降低寄生引脚电容和I/O终端功耗，并且即使在VDD电压降低的情况下也能稳定工作。
DDR4的管脚使用的是SSTL、POD12、DIFF_SSTL以及DIFF_ POD12，这里要注意一下DDR4复位信号c0_DDR4_reset_n，它并没有使用SSTL，原因是SSTL的噪声容限不够大，容易受干扰造成误复位。
本实验对应的XDC约束语句如下所示。注意，在这里仅给出了时钟、复位、和LED读写指示信号的管脚约束。DDR4部分的管脚约束在文档中不再给出，大家可以从提供的例程中查看。
set_property -dict {PACKAGE_PIN AE5 IOSTANDARD DIFF_HSTL_I_12} [get_ports c0_sys_clk_p]
set_property -dict {PACKAGE_PIN AF5 IOSTANDARD DIFF_HSTL_I_12} [get_ports c0_sys_clk_n]
set_property -dict {PACKAGE_PIN AH11 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sys_rst_n]
set_property -dict {PACKAGE_PIN AE10 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports led]
31.4程序设计
根据实验任务，可以大致规划出系统的控制流程：首先FPGA通过调用MIG IP核向DDR4芯片写入数据，写完之后通过MIG IP核从DDR4芯片读出所写入的数据，并判断读出的数据与写入的数据是否相同，如果相同则LED灯常亮，否则LED灯闪烁。由此画出系统的功能框图如下图所示：

图 31.4.1 DDR4 读写测试实验系统框图
由系统总体框图可知，FPGA顶层模块例化了以下两个模块，分别是读写模块（ddr4_rw）和MIG IP核模块。
各模块端口及信号连接如下图所示：

图 31.4.2 顶层模块原理图
其中DDR4读写模块的作用是生成DDR4的读写数据和MIG IP核的驱动时序，并且在DDR4模块里比较写入DDR4的数据与读出的数据是否一致，如果读写一致，说明DDR4读写正确，此时LED指示灯常亮；否则说明DDR4读写失败，LED指示灯处于闪烁状态。而MIG IP核内部包含了整个DDR4的驱动，一方面它负责驱动板载的DDR4芯片，另一方面和用户模块进行数据交互，在本节实验中用户模块就是DDR4读写模块，MIG IP核负责和DDR4读写模块进行数据交互。
需要注意的是，本节实验的系统时钟是一对差分时钟，频率为100Mhz（c0_sys_clk_p，c0_sys_clk_n），这对差分时钟直接连接到MIG IP核，由MIG IP核生成DDR4的驱动时钟（c0_DDR4_ck_t，c0_DDR4_ck_c），输出给外部DDR4（MT40A256M16GE-083E）芯片使用。除此之外，FPGA内部的用户模块时钟也是由MIG IP核提供，本节实验的用户模块时钟是c0_DDR4_ui_clk，作为DDR4读写模块的操作时钟。
接下来我们介绍下如何对MIG IP核进行配置。首先在Vivado环境里新建一个工程，本实验取名为ddr4_rw_top。再点击Project Manager界面下的IP Catalog，打开IP Catalog界面。如下图所示。

图 31.4.3 “IP Catalog”按钮
在搜索栏中输入MIG，此时出现MIG IP核，我们找到DDR4 SDRAM(MIG)，如下图所示。

图 31.4.4 搜索栏中输入关键字
双击打开DDR4 SDRAM(MIG)，出现如下图所示界面。

图 31.4.5 IP核配置
上图所示的是MIG IP 核的Basic配置界面，这里我们对几个重要的配置信息作出说明：
Component Name：MIG IP核的命名，可以保持默认，也可以自己取一个名字。
Mode and Interface：控制器的模式和接口选项，可以选择AXI4接口或者普通模式，并生成对应的PHY组件（详情请参考官方文档pg150）。
Memory Device Interface Speed：板载DDR4芯片的IO总线时钟频率，这里可以最大支持938ps（1066MHz），IO总线时钟频率等于2倍DDR4芯片核心频率（533 MHz）。
PHY to controller clock frequency ratio：用户时钟分频系数，这里只能选择4比1，因此本节实验的用户时钟频率等于DDR4芯片核心频率的四分之一，即133.25MHz。
Reference input Clock Speed：参考时钟，本节实验选择10006ps(参考时钟频率和系统时钟频率保持一致即100MHz)。
Controller Options：控制器配置栏，如果使用MIG IP核内部默认的DDR4芯片，则只需要在Memory Part栏选中对应的DDR4芯片型号即可，例如我们板载的DDR4芯片型号为MT40A256M16GE-083E（如果多片DDR4联用注意修改数据位宽）。如果使用的DDR4芯片型号不在MIG IP和的默认配置中就需要手动定义DDR4芯片的参数文件，这个时候就需要使能定制型号（Enable Custom Parts Data File），然后加载配置文件（Custom Parts Data File）。
Memory Options：配置突发长度和CAS延迟的，这里保持默认即可（如果需要修改请参考DDR4芯片数据手册）。
接下来我们选择MIG IP核配置界面的Advanced Clocking界面，如下所示：

图 31.4.6 IP核配置界面
Advanced Clocking界面只需要关注一下Additional Clock Outputs配置，这里可以额外输出四路时钟，如果有需求这里可以生成，我们本节实验不需要用到额外时钟，所以全部“None”即可。
接下来切换至Advanced Options界面，如下图所示：

图 31.4.7 IP核配置界面
Advanced Options界面的配置信息如下：
Debug Signals for controller：在Xilinx示例设计中，启用此功能会把状态信号连接到ChipScope ILA核中。
Microblaze MCS ECC option：Microblaze的配置选项，选中它Microblaze的MCS ECC尺寸会增加。
Simulation Options：此选项仅对仿真有效。在选择BFM选项时，为XiPhy库使用行为模型，以加快模拟运行时间。选择Unisim则对XiPhy原语使用Unisim库。
Example Design Options：示例工程仿真文件的选择。
Advance Memory Options：提高运行性能的选项，可以选择自刷新和校准功能，并将这些信息保存在XSDB BRAM中，也可以把XSDB BRAM中的信息存储在外部存储器中 。
Migration Options：引脚兼容选项，如果想兼容UlitraScale和UltraScale+ fpga，就把这个选项选中。
最后我们再来看看IO Planning and Design Checklist界面，如下图所示：

图 31.4.8 IP核配置界面
IO Planning and Design Checklist界面提示我们DDR4 IO引脚分配的方式发生改变，不再像之前DDR3那样，需要在MIG IP核中就分配好管脚，DDR4可以在IO Planning窗口分配管脚（或者直接编写XDC文件）。
当所有的配置信息全部修改完成后，点击“OK”按钮，弹出的界面如下图所示：

图 31.4.9 生成IP核
点击Generate按钮生成IP核，IP核生成完成后，开始编写DDR4读写实验的代码。
顶层模块的代码，如下所示：

1   module ddr4_rw_top(
2       output                             c0_ddr4_act_n   ,
3       output [16:0]                      c0_ddr4_adr     ,
4       output [1:0]                       c0_ddr4_ba      ,
5       output [0:0]                       c0_ddr4_bg      ,
6       output [0:0]                       c0_ddr4_cke     ,
7       output [0:0]                       c0_ddr4_odt     ,
8       output [0:0]                       c0_ddr4_cs_n    ,
9       output [0:0]                       c0_ddr4_ck_t    ,
10      output [0:0]                       c0_ddr4_ck_c    ,
11      output                             c0_ddr4_reset_n ,
12      inout  [1:0]                       c0_ddr4_dm_dbi_n,
13      inout  [15:0]                      c0_ddr4_dq      ,
14      inout  [1:0]                       c0_ddr4_dqs_c   ,
15      inout  [1:0]                       c0_ddr4_dqs_t   ,               
16      
17      //Differential system clocks
18      input                              c0_sys_clk_p,
19      input                              c0_sys_clk_n,
20      output[1:0]                        led,
21      input                              sys_rst_n
22      );                
23                      
24  //wire define  
25  
26  wire                 error_flag;
27  
28  wire c0_ddr4_ui_clk                ;
29  wire c0_ddr4_ui_clk_sync_rst       ;
30  wire c0_ddr4_app_en                ;
31  wire c0_ddr4_app_hi_pri            ;
32  wire c0_ddr4_app_wdf_end           ;
33  wire c0_ddr4_app_wdf_wren          ;
34  wire c0_ddr4_app_rd_data_end       ; 
35  wire c0_ddr4_app_rd_data_valid     ; 
36  wire c0_ddr4_app_rdy               ; 
37  wire c0_ddr4_app_wdf_rdy           ; 
38  wire [27 : 0] c0_ddr4_app_addr     ;
39  wire [2 : 0] c0_ddr4_app_cmd       ;
40  wire [127 : 0] c0_ddr4_app_wdf_data;
41  wire [15 : 0] c0_ddr4_app_wdf_mask ;
42  wire [127 : 0] c0_ddr4_app_rd_data ;
43  
44  
45  
46  wire                  locked;              //锁相环频率稳定标志
47  wire                  clk_ref_i;           //DDR4参考时钟
48  wire                  sys_clk_i;           //MIG IP核输入时钟
49  wire                  clk_200;             //200M时钟
50  wire                  ui_clk_sync_rst;     //用户复位信号
51  wire                  init_calib_complete; //校准完成信号
52  wire [20:0]           rd_cnt;              //实际读地址计数
53  wire [1 :0]           state;               //状态计数器
54  wire [23:0]           rd_addr_cnt;         //用户读地址计数器
55  wire [23:0]           wr_addr_cnt;         //用户写地址计数器
56  
57  //*****************************************************
58  //**                    main code
59  //*****************************************************
60  
61  //读写模块
62  ddr4_rw u_ddr4_rw(
63      .ui_clk               (c0_ddr4_ui_clk),                
64      .ui_clk_sync_rst      (c0_ddr4_ui_clk_sync_rst),       
65      .init_calib_complete  (c0_init_calib_complete),
66      .app_rdy              (c0_ddr4_app_rdy),
67      .app_wdf_rdy          (c0_ddr4_app_wdf_rdy),
68      .app_rd_data_valid    (c0_ddr4_app_rd_data_valid),
69      .app_rd_data          (c0_ddr4_app_rd_data),
70      
71      .app_addr             (c0_ddr4_app_addr),
72      .app_en               (c0_ddr4_app_en),
73      .app_wdf_wren         (c0_ddr4_app_wdf_wren),
74      .app_wdf_end          (c0_ddr4_app_wdf_end),
75      .app_cmd              (c0_ddr4_app_cmd),
76      .app_wdf_data         (c0_ddr4_app_wdf_data),
77      .state                (state),
78      .rd_addr_cnt          (rd_addr_cnt),
79      .wr_addr_cnt          (wr_addr_cnt),
80      .rd_cnt               (rd_cnt),
81      
82      .error_flag           (error_flag),
83      .led                  (led)
84      );
85  ddr4_0 u_ddr4_0 (
86  .c0_init_calib_complete(c0_init_calib_complete),//初始化完成信号       
87  .dbg_clk(),                          
88  .c0_sys_clk_p(c0_sys_clk_p),          // 系统差分时钟p
89  .c0_sys_clk_n(c0_sys_clk_n),          // 系统差分时钟n
90  .dbg_bus(),                           
91  .c0_ddr4_adr(c0_ddr4_adr),            // 行列地址
92  .c0_ddr4_ba(c0_ddr4_ba),              // bank地址
93  .c0_ddr4_cke(c0_ddr4_cke),            // 时钟使能
94  .c0_ddr4_cs_n(c0_ddr4_cs_n),          // 片选信号
95  .c0_ddr4_dm_dbi_n(c0_ddr4_dm_dbi_n),  // 数据掩码
96  .c0_ddr4_dq(c0_ddr4_dq),              // 数据线
97  .c0_ddr4_dqs_c(c0_ddr4_dqs_c),        // 数据选通信号
98  .c0_ddr4_dqs_t(c0_ddr4_dqs_t),        // 数据选通信号
99  .c0_ddr4_odt(c0_ddr4_odt),            // 终端电阻
100 .c0_ddr4_bg(c0_ddr4_bg),              // bank组地址
101 .c0_ddr4_reset_n(c0_ddr4_reset_n),    // 复位信号
102 .c0_ddr4_act_n(c0_ddr4_act_n),        // 激活指令引脚
103 .c0_ddr4_ck_c(c0_ddr4_ck_c),          //时钟信号
104 .c0_ddr4_ck_t(c0_ddr4_ck_t),          // 时钟信号
105 //user interface
106 .c0_ddr4_ui_clk(c0_ddr4_ui_clk),       // 用户时钟
107 .c0_ddr4_ui_clk_sync_rst(c0_ddr4_ui_clk_sync_rst), // 用户复位
108 .c0_ddr4_app_en(c0_ddr4_app_en),                  // 指令写入使能
109 .c0_ddr4_app_hi_pri(1'b0),                        
110 .c0_ddr4_app_wdf_end(c0_ddr4_app_wdf_end),        // 写数据最后一个时钟
111 .c0_ddr4_app_wdf_wren(c0_ddr4_app_wdf_wren),      // 写数据使能
112 .c0_ddr4_app_rd_data_end(c0_ddr4_app_rd_data_end),// 读数据最后一个数据
113 .c0_ddr4_app_rd_data_valid(c0_ddr4_app_rd_data_valid), // 读数据有效                 
114 .c0_ddr4_app_rdy(c0_ddr4_app_rdy),           // 指令接收准备完成，可以开始接收指令
115 .c0_ddr4_app_wdf_rdy(c0_ddr4_app_wdf_rdy),   // 数据接收准备完成，可以开始接收数据
116 .c0_ddr4_app_addr(c0_ddr4_app_addr),         // 用户地址
117 .c0_ddr4_app_cmd(c0_ddr4_app_cmd),           // 读写控制命令
118 .c0_ddr4_app_wdf_data(c0_ddr4_app_wdf_data), // 写数据
119 .c0_ddr4_app_wdf_mask(16'b0),                // input wire [15 : 0] c0_ddr4_app_wdf_mask
120 .c0_ddr4_app_rd_data(c0_ddr4_app_rd_data),   // 读数据
121 .sys_rst(~sys_rst_n)                           //系统复位
122 );    
123 
124 endmodule

顶层模块的代码共例化了两个子模块，分别是DDR4读写模块（ddr4_rw）和MIG IP核模块（ddr4_0），主要实现各模块的数据交互。
DDR4读写模块的代码如下：

1   module ddr4_rw (          
2       input                    ui_clk,                //用户时钟
3       input                    ui_clk_sync_rst,       //复位,高有效
4       input                    init_calib_complete,   //DDR4初始化完成
5       input                    app_rdy,               //MIG 命令接收准备好标致
6       input                    app_wdf_rdy,           //MIG数据接收准备好
7       input                    app_rd_data_valid,     //读数据有效
8       input          [127:0]   app_rd_data,           //用户读数据
9       output reg     [27:0]    app_addr,              //DDR4地址                      
10      output                   app_en,                //MIG IP发送命令使能
11      output                   app_wdf_wren,          //用户写数据使能
12      output                   app_wdf_end,           //突发写当前时钟最后一个数据 
13      output         [2:0]     app_cmd,               //MIG IP核操作命令，读或者写
14      output reg     [127:0]   app_wdf_data,          //用户写数据
15      output reg     [1 :0]    state,                 //读写状态
16      output reg     [23:0]    rd_addr_cnt,           //用户读地址计数
17      output reg     [23:0]    wr_addr_cnt,           //用户写地址计数
18      output reg     [20:0]    rd_cnt,                //实际读地址标记
19      output reg               error_flag,            //读写错误标志
20      output reg               led                    //读写测试结果指示灯
21      );
22  
23  //parameter define
24  parameter  TEST_LENGTH = 10;
25  parameter  L_TIME = 25'd25_000_000;
26  parameter  IDLE        = 2'd0;            //空闲状态
27  parameter  WRITE       = 2'd1;            //写状态
28  parameter  WAIT        = 2'd2;            //读到写过度等待
29  parameter  READ        = 2'd3;            //读状态
30  
31  //reg define
32  reg  [24:0]  led_cnt;    //led计数
33  
34  //wire define
35  wire         error;     //读写错误标记
36  wire         rst_n;     //复位，低有效

代码第2行到第20行是模块的接口定义，大部分是MIG IP核中要操作的用户接口信号，这些信号在本章简介部分中已经以表格的形式详细呈现给大家，有不清楚的地方可以回去查看。
代码第24行和第29行是参数定义，首先定义了TEST_LENGTH（测试长度），注意这里的测试长度是相对于用户端来说的，一个测试长度对应到DDR芯片需要访问是8个地址，即8个16Byte（共128位）。接下来定义了L_TIME（闪烁间隔），该参数用来控制LED闪烁频率。最后定义了读写测试的四个状态，IDLE（空闲）、WRITE（写）、WAIT（等待）和READ（读）。

37  
38   //*****************************************************
39  //**                    main code
40  //***************************************************** 
41  
42  assign rst_n = ~ui_clk_sync_rst;
43  //读信号有效，且读出的数不是写入的数时，将错误标志位拉高
44  assign error = (app_rd_data_valid && (rd_cnt! = app_rd_data));
45  
46  //在写状态MIG IP 命令接收和数据接收都准备好,或者在读状态命令接收准备好，此时拉高使能信号，
47  assign app_en = ((state == WRITE && (app_rdy && app_wdf_rdy))
48                  ||(state == READ && app_rdy)) ? 1'b1:1'b0;
49                  
50  //在写状态,命令接收和数据接收都准备好，此时拉高写使能
51  assign app_wdf_wren = (state == WRITE && (app_rdy && app_wdf_rdy)) ? 1'b1:1'b0;
52  
53  //由于DDR4芯片时钟和用户时钟的分频选择4:1，突发长度为8，故两个信号相同
54  assign app_wdf_end = app_wdf_wren; 
55  
56  //处于读的时候命令值为1，其他时候命令值为0
57  assign app_cmd = (state == READ) ? 3'd1 :3'd0;  
58      

代码第42行，信号ui_clk_sync_rst是MIG IP核产生，用于复位用户逻辑，其高电平有效。在代码中将ui_clk_sync_rst信号取反，是为了转换成代码中习惯使用的复位低电平有效。
代码第44行，是错误标志的逻辑判断。读数据有效信号（app_rd_data_valid）为高时去比较app_rd_data和rd_cnt的值，不相等则读写错误。关于rd_cnt的含义将会在下文详细介绍。
代码第47行到48行，首先产生了MIG IP核命令发送使能信号，这里可以看出，读或者写状态都要拉高该信号。需要特别指出的是，在写的时候，app_en拉高的条件是：app_rdy（MIG命令接收准备好标志）和app_wdf_rdy（MIG数据接收准备好标致）同时为高，根据数据手册，用户可以只判断app_rdy信号。当app_rdy信号为高电平时，可以拉高使能app_en，此处之所以同时判断app_rdy和app_wdf_rdy，是因为本实验只考虑DDR4写状态命令发送和数据发送同拍的情形，这样的做法基本上不会对DDR4读写操作效率造成很大影响，但是却能大大简化代码编写难度。
代码第51行，产生写使能，如上所述，本实验只考虑写命令和写数据同时发起的情形，当检测到命令接收和数据接收标志同时拉高的时候，写操作也在同一时间被发起，即拉高app_wdf_wren（写数据使能）。
这里要解释一下代码第54行。上文说过app_wdf_end表明当前时钟是突发写过程的最后一个时钟周期，由于本实验采用的是4:1模式，每一个用户时钟周期实际上都完成了一个写突发操作，所以在突发写有效时，即app_wdf_wren拉高，每个时钟，app_wdf_end也跟着拉高，所以在4:1模式信号app_wdf_end和app_wdf_wren是同步变化的。

59  //DDR4读写逻辑实现
60  always @(posedge ui_clk or negedge rst_n) begin
61      if((~rst_n)||(error_flag)) begin 
62          state    <= IDLE;          
63          app_wdf_data <= 128'd0;     
64          wr_addr_cnt  <= 24'd0;      
65          rd_addr_cnt  <= 24'd0;       
66          app_addr     <= 28'd0;          
67      end
68      else if(init_calib_complete)begin               //MIG IP核初始化完成
69          case(state)
70              IDLE:begin
71                  state    <= WRITE;
72                  app_wdf_data <= 128'd0;   
73                  wr_addr_cnt  <= 24'd0;     
74                  rd_addr_cnt  <= 24'd0;       
75                  app_addr     <= 28'd0;        
76               end
77              WRITE:begin
78                  if(wr_addr_cnt == TEST_LENGTH - 1 &&(app_rdy && app_wdf_rdy))
79                      state    <= WAIT;                  //写到设定的长度跳到等待状态
80                  else if(app_rdy && app_wdf_rdy)begin   //写条件满足
81                      app_wdf_data <= app_wdf_data + 1;  //写数据自加
82                      wr_addr_cnt  <= wr_addr_cnt + 1;   //写地址自加
83                      app_addr     <= app_addr + 8;      //DDR4 地址加8
84                  end
85                  else begin                             //写条件不满足，保持当前值
86                      app_wdf_data <= app_wdf_data;      
87                      wr_addr_cnt  <= wr_addr_cnt;
88                      app_addr     <= app_addr; 
89                  end
90                end
91              WAIT:begin                                                  
92                  state   <= READ;                     //下一个时钟，跳到读状态
93                  rd_addr_cnt <= 24'd0;                //读地址复位
94                  app_addr    <= 28'd0;                //DDR4读从地址0开始
95                end
96              READ:begin                               //读到设定的地址长度    
97                  if(rd_addr_cnt == TEST_LENGTH - 1 && app_rdy)
98                      state   <= IDLE;                   //则跳到空闲状态 
99                  else if(app_rdy)begin                  //若MIG已经准备好,则开始读
100                     rd_addr_cnt <= rd_addr_cnt + 1'd1; //用户地址每次加一
101                     app_addr    <= app_addr + 8;       //DDR4地址加8
102                 end
103                 else begin                             //若MIG没准备好,则保持原值
104                     rd_addr_cnt <= rd_addr_cnt;
105                     app_addr    <= app_addr; 
106                 end
107               end
108             default:begin
109                 state    <= IDLE;
110                 app_wdf_data <= 128'd0;
111                 wr_addr_cnt  <= 24'd0;
112                 rd_addr_cnt  <= 24'd0;
113                 app_addr     <= 28'd0;
114             end
115         endcase
116     end
117 end   
118                         
119 //对DDR4实际读数据个数编号计数
120 always @(posedge ui_clk or negedge rst_n) begin
121     if(~rst_n) 
122         rd_cnt  <= 0;              //若计数到读写长度，且读有效，地址计数器则置0                                    
123     else if(app_rd_data_valid && rd_cnt == TEST_LENGTH - 1)
124          rd_cnt <= 0;              //其他条件只要读有效，每个时钟自增1
125     else if (app_rd_data_valid )
126         rd_cnt <= rd_cnt + 1;
127 end
128 
129 //寄存状态标志位
130 always @(posedge ui_clk or negedge rst_n) begin
131     if(~rst_n) 
132         error_flag <= 0;
133     else if(error)
134         error_flag <= 1;
135  end
136  
137 //led指示效果控制
138 always @(posedge ui_clk or negedge rst_n) begin
139      if((~rst_n) || (~init_calib_complete )) begin
140         led_cnt <= 25'd0;
141         led <= 1'b0;
142     end
143     else begin
144         if(~error_flag)                        //读写测试正确         
145             led <= 1'b1;                       //led灯常亮
146          else begin                            //读写测试错误
147             led_cnt <= led_cnt + 25'd1;
148             if(led_cnt == L_TIME - 1'b1) begin
149             led_cnt <= 25'd0;
150             led <= ~led;                      //led灯闪烁
151             end                    
152          end
153       end
154 end
155 
156 endmodule

代码60行起的always模块是DDR4读写逻辑的实现。采用了一段式状态机来编写整个读写测试逻辑，如下图所示，一共分为四个状态。描述如下：上电一开始处于IDLE（空闲）状态，初始化完成后跳到WRITE(DDR4写)，写到测试长度跳到WAIT(等待)状态，在此消耗一个实在周期后无条件跳到READ(DDR4读)，读到测试长度跳回空闲状态。

图 31.4.10 读写测试状态跳转图
下面来讲解具体的各状态，主要是写和读状态。
首先来看看写过程，为了便于理解，下面给出了ILA中采集到的DDR4写的波形，同时为了方便观察完整的写过程，把本次实验的一次读写长度设为10。如下图所示：

图 31.4.11 DDR4写时序
写状态首先判断MIG IP核发送过来的信号app_rdy和app_wdf_rdy，当这两个信号同时为高时，拉高app_en和app_wdf_wren，同时时给写出命令，即app_cmd为0，此刻正式进行DDR4写过程。写的过程中，写数据app_wdf_data和地址计数wr_addr_cnt在每个时钟自加1。另外大家注意到app_addr每次自加8，前面其实提到，用户端在每一个用户时钟进行一个128bit的数据的传输，在DDR4物理芯片端需要分8次传输，每次传输一个地址位宽16bit，8次就需要8个地址。通过写时序图和ILA图进行对比，可以发现两者是一致的，即说明本次实验是成功的
代码第96到107行是DDR4读过程，在读状态，判断MIG IP核发送过来的信号app_rdy，当这个信号为高时，拉高app_en，同时给出读命令，即app_cmd为1，此时开始进行读操作。在进行读操作的时候，app_addr同样每次自加8。下面还是给出ILA上观察到的读信号波形，方便大家理解查看。

图 31.4.12 DDR4读时序
读操作结束又跳回空闲状态，如代码第98行所示。
代码第120行到127行的always模块，产生rd_cnt，实现了对读出的地址数据的编号。为什么会有这样的处理，根本原因在于读数据的返回和读操作并不是在同一拍出现的，会晚若干周期出现。这样意味着不能用读数据直接和当前的读地址去比较，所以本次实验单独构造了rd_cnt这个信号，它代表一次读操作真正返回的有效的读数据个数。
代码第130行到135行的always模块，实现了错误标识的寄存。代码第138行到154行的always模块实现读写测试LED灯的显示逻辑。错误则闪烁，正确则常亮。
最后通过采集到的波形来看读写测试结果，在读数据有效信号app_rd_data_valid为高时，数据总线上的app_rd_data分别和地址编号rd_cnt相等。按照本次实验的设计，写进DDR4的数值是它的地址编号，也即等于数据编号，说明是正确的读写结果。当然大家可以看到错误指示信号error_flag始终为0，即没有出现读写错误。

图 31.4.13 DDR4读结果
31.5下载验证
将下载器一端连接电脑，另一端与开发板上的JTAG下载口连接，接下来连接电源线后拨动开关按键给开发板上电。
点击Vivado左侧“Flow Navigator”窗口最下面的“Open Hardware Manager”，此时Vivado软件识别到下载器，点击“Hardware”窗口中“Progam Device”下载程序，在弹出的界面中选择“Program”下载程序。
程序下载完成后，开发板上的PL_LED1在短暂延时之后，始终处于常亮的状态，如下图所示：

图 31.5.1 DDR4板子测试结果
此时说明DDR4读写测试成功。
在这里再额外补充一点，将带有DDR4 MIG IP核的工程下载进开发板时，会出现一个MIG自带的状态检测核，如下图所示：

图 31.5.2 DDR4状态
从上图中可以看到MIG运行的一些状态信息，如果运行正常会显示“PASS”。到这里DDR4读写实验就给大家全部讲解完了。