【Quartus FPGA】EMIF DDR3 读写带宽测试

在通信原理中，通信系统的有效性用带宽来衡量，带宽定义为每秒传输的比特数，单位 b/s，或 bps。在 DDR3 接口的产品设计中，DDR3 读/写带宽是设计者必须考虑的指标。本文主要介绍了 Quartus FPGA 平台 EMIF 参数配置，以及测试 DDR3 读写带宽的过程，FPGA 器件型号是 Cyclone 10 GX 10CX220YF780E6G，DDR3 颗粒型号是 Winbond W631GG6KB。

目录

1 EMIF IP 配置

2 AMM 接口

3 读写带宽测试

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1 EMIF IP 配置

        在进行 EMIF DDR3 读写带宽测试之前，先确保 EMIF DDR3 IP 时钟与时序参数配置正确。

         General -> Clocks 选项卡，填写内存时钟频率 Memory clock frequency ，这里填了 933M，PLL 参考时钟频率为 116.625MHz.

        Memory -> Latency and Burst 选项卡，根据 DDR3 内存颗粒用户手册，设置 Memory CAS latency 和 Memory write CAS latency 值。

        这里所使用的 DDR3 内存型号为 Winbond W631GG6KB，933M 对应的 tCK 为 1.07ns，根据手册得知，CL = 13，CWL = 9.

 Memory Timing 参数如下：

 

2 AMM 接口

        Quartus EMIF IP 提供了 AMM（Avalon Memory-Mapped） 接口，用于 DDR3 数据的传输，AMM 接口定义如下。

        amm_ready 扮演 waitrequest_n 的角色，当控制器处于 busy 状态时，该信号将会拉低；amm_burstcount 表示读/写 burst 传输的周期数；DDR3 颗粒数据接口位宽是 16bit，8n-prefetch，所以 amm_writedata 与 amm_readdata 的位宽是 16bit × 8 = 128bit。

AMM 接口读写时序图与其他细节，可以参考 Intel 官网 Avalon® 接口规范简介。

3 读写带宽测试

        在本设计中，DDR3 读写采用固定地址突发的方式，amm_burstcount 大小固定为 64，每次先写入 64 个数据，再读出 64 个数据。

        同时定义两个计数器 wr_data_cnt 与 rd_data_cnt，用于一段时间读写数据的计数，需要注意计数器位宽，避免溢出的情况。这里计数器位宽定义 32bit，时间间隔取 200ms。

VHDL 设计代码如下，

process(sys_rst,sys_clk) 
begin
   if sys_rst = '1' then
      pstate <= st_init;
      buf_test_wr_req <= '0';
      buf_test_rd_req <= '0';
      test_wr_q <= (others => '0');
      test_wr_mask <= (others => '0');
      wr_cnt_scope <= (others => '0');
      rd_cnt_scope <= (others => '0');
      rd_err_cnt_scope <= (others => '0');
   elsif rising_edge(sys_clk) then
      if timeout_event = '1' then
         wr_cnt_scope <= (others => '0');
         rd_cnt_scope <= (others => '0');
         rd_err_cnt_scope <= (others => '0');
      end if;
   
      case(pstate) is
         when st_init => 
            -- power on delay and initialization
            if ddr_init_done = '1' then
               pstate <= st_idle;
            else
               pstate <= st_init;
            end if;
            
         when st_idle => 
            -- idle state
            pstate <= st_test_write;
            
         when st_test_write => 
            -- pull up req and wait fot ack
            if buf_test_wr_req = '1' and test_wr_ack = '1' then
               pstate <= st_test_write_end;
               buf_test_wr_req <= '0';
            else
               pstate <= st_test_write;
               buf_test_wr_req <= '1';
            end if;
         
         when st_test_write_end => 
            -- wait write ending
            if test_wr_end = '1' then
               pstate <= st_test_read;
            else
               pstate <= st_test_write_end;
            end if;
            
            test_wr_q(4*128-1 downto 3*128) <= DDR_DATA_PATTERN;
            test_wr_q(3*128-1 downto 2*128) <= DDR_DATA_PATTERN;
            test_wr_q(2*128-1 downto 1*128) <= DDR_DATA_PATTERN;
            test_wr_q(1*128-1 downto 0*128) <= DDR_DATA_PATTERN;
            test_wr_mask <= (others => '0');
            if test_wr_rden = '1' then
               wr_cnt_scope <= wr_cnt_scope + 1;
            end if;
            
         when st_test_read => 
            -- pull up req and wait for ack
            if buf_test_rd_req = '1' and test_rd_ack = '1' then
               pstate <= st_test_read_end;
               buf_test_rd_req <= '0';
            else
               pstate <= st_test_read;
               buf_test_rd_req <= '1';
            end if;
         
         when st_test_read_end => 
            -- wait read ending
            if test_rd_end = '1' then
               pstate <= st_idle;
            else
               pstate <= st_test_read_end;
               if test_rd_rdvld = '1' then
                  rd_cnt_scope <= rd_cnt_scope + 1;
                  if test_rd_rdata(4*128-1 downto 3*128) /= DDR_DATA_PATTERN then
                     rd_err_cnt_scope <= rd_err_cnt_scope + 1;
                  elsif test_rd_rdata(3*128-1 downto 2*128) /= DDR_DATA_PATTERN then
                     rd_err_cnt_scope <= rd_err_cnt_scope + 1;
                  elsif test_rd_rdata(2*128-1 downto 1*128) /= DDR_DATA_PATTERN then
                     rd_err_cnt_scope <= rd_err_cnt_scope + 1;
                  elsif test_rd_rdata(1*128-1 downto 0*128) /= DDR_DATA_PATTERN then
                     rd_err_cnt_scope <= rd_err_cnt_scope + 1;
                  end if;
               end if;
            end if;
         
         when others => NULL;
            
      end case;
   end if;
end process;

SignalTap 调试波形如下：

读带宽：

7533666 × 128bit × 1s/200ms = 4.822Gbps

写带宽：

7653248 × 128bit × 1s/200ms = 4.898Gbps

可以进一步计算，在突发传输为 64 时，DDR3 的读写效率约 32.56%.