[转]DDR3基础知识介绍

本文转自：(4条消息) xilinx ddr3 MIG ip核使用详解_admiraion123的博客-CSDN博客

1，DDR3基本内容介绍
1.1，DDR3简介
DDR3全称double-data-rate 3 synchronous dynamic RAM，即第三代双倍速率同步动态随机存储器。所谓同步，是指DDR3数据的读取写入是按时钟同步的；所谓动态，是指DDR3中的数据掉电无法保存，且需要周期性的刷新，才能保持数据；所谓随机存取，即可以随机操作任一地址的数据；所谓double-data-rate，即时钟的上升沿和下降沿都发生数据传输。

DDR3读取速度是SDRAM的8倍，为什么呢？这里不是太懂，也一直没懂，因为感觉网上的资料都有问题，官方的DDR3手册也没有介绍这点。不过官方手册讲到DDR3采用8n prefetch技术，数据在存储矩阵和IO口之间有一个类似于FIFO的缓存结构。以16bit位宽的ddr3来说，存储矩阵与这个fifo的接口就为8*16bit = 124bit。那么问题来了，要实现最终的8倍传输，由于上下沿都采样，时钟可以扩展为原来的2倍；那么剩下的4倍就需要IO口频率来提高了；那么对于存储矩阵与fifo的接口的时钟是多少呢？这就不知道了，按照网上说的核心频率（为IO频率的1/4）的说法，那就需要数据线128根，这可能吗？不过这会不会也是单片ddr3位宽不能太高的原因？问题先留在这里，以后懂了在来解答。

以micron的MT41K256M16TW-107为例，MT41K为型号，256M16表示大小为256M*16 = 4Gb，TW为96pin BGA封装，-107为速度等级（时钟1.07ns，933Mhz，速度1866MT/s），平常说的DDR3 1333也就是指1s内传输1333次数据。该DDR3是8Bank配置，即BA[2:0]；数据位宽配置为16bit；行地址A[14:0]，列地址A[9:0]，那么算下来正好4Gb。不过需要注意，由于8n prefetch，列地址A[2:0]实际上并不使用，因为存储矩阵中一个单元（CELL）为128bit，即一个Bank内是按32768*128*128划分的，如下图所示。

顺便讲一下逻辑Bank和物理Bank的区别，逻辑Bank即一片DDR3颗粒的Bank；物理Bank是在存储系统中才有的概念，计算机CPU为64bit，故向存储设备取数据也为64bit，那么就需要4片DDR3颗粒并联，那么总共的容量就位4Gb；那么问题来了，如果需要32Gb的容量呢？那么就需要32片DDR3颗粒，该DDR3最小位宽可配置为4bit，那么按照直接并联的方式就变成128bit位宽了，这时候就需要做成2个物理Bank。

DDR3的数据写入与读取都是按burst方式进行的，BC4一次burst进行4长度数据位宽传输，BL8一次burst进行8长度数据位宽传输，on-the-fly由用户控制8还是4。Burst模式有两种，sequential和interleaved，具体如图所示。

DDR3的运行流程大体为：上电复位；然后进入初始化流程，进行write leveling、ZQ校准后进入空闲状态，此后用户可对其进行读写操作；we#，ras#，cas#为控制信号；操作时，先激活某一bank某一行，然后再给列地址，写完后换另一行需要进行precharge操作；为了保持数据，DDR3需要refresh操作，一般规定行刷新周期为64ms，这里的行是针对所有bank的同一行，与precharge需要区分。具体如下图所示。

1.2，DDR3中一些关键信号及时间参数
1.2.1 关键信号

a，RAS#，行地址选通信号。

b，CAS#，列地址选通信号。

c，WE#，读写信号。

d，DQS差分信号，数据选通信号，与读数据边沿对齐，与写数据中心对齐。

e，CK差分信号，ddr3输入时钟，所有的控制、地址信号都以CK交叉点为采样点，DQS信号也是基于此信号得到。

2.2 时间参数

a，tRCD，行选通指令到列选通指令的延迟，以CK为计量单位，指行激活指令到读写指令的最小间隔。

b，CL，列选通指令潜伏期延迟，以CK为计量单位，指读指令到数据读出的最小间隔。

c，tRP，行预充电时间，以CK为计量单位，指预充电指令到行激活指令的延迟。

1.3，DDR3中常用指令
       1. 3.1  precharge

预充电指令，ddr3换行操作时，需要先执行预充电指令，关闭当前工作行，然后再进行激活指令。地址线中的A10为1，则对所有bank进行预充电；如果A10位0，则选择ba[2:0]对应的bank进行预充电。

1.3.2 refresh

刷新指令，ddr3需要周期性刷新来维持存储单元中的数据，刷新指令针对所有bank，刷新中的行指所有bank中地址相同的行。具体如下图。

1.3.3 active

激活指令，用于激活某一bank的某一行。

1.3.4 read/write

读写指令，用于对某一起始地址进行操作。

1. 3.5 指令表

ddr3的指令表如下图所示。主要由RAS#、CAS#、WE#控制。比如刷新就是001，写就是100，读就是101。表中，V表示高电平或低电平，需要是一个确定的电平；CA表示列地址；H表示高电平；L表示低电平；BA表示bank地址；RFU我也不知道是什么意思。

2，DDR3仿真
2.1，MIG核介绍
           xilinx的ddr3控制IP核叫memory interface generator，下面介绍一下该IP核中的一些设置。MIG核的整体框图如下图所示，分为用户接口模块，存储控制模块、物理层模块，存储控制模块和phy模块完成ddr3相关时序控制，我们关注用户接口即可。用户接口大体分为指令路径和数据路径，都是基于握手协议的。如指令中必须app_en和app_rdy同时为高，app_cmd才被有效接收；又例如写数据通道中app_wdf_wren和app_wdf_rdy同时为高，app_wdf_data才会写入fifo。

MIG核配置需要注意的几点：

a，时钟频率，需要配置phy接口时钟，也就是ddr3的ck信号，如对于ddr3 1333，我们就需要配置为667Mhz，当然低于这个也是可以的（xilinx 7系列芯片ddr引脚支持的最大速率可查看ds181）；还需要配置用户时钟，也就是fpga用户侧时钟，该时钟可按2:1和4:1配置，如果前面配置的phy时钟为667Mhz，那么2:1配置就为333Mhz，4:1配置就为167Mhz；还需要配置一个系统时钟，这个时钟主要为MIG各个时钟提供源，通过倍频得到用户时钟和phy时钟；最后还有一个参考时钟，该时钟用于Idelayctrl模块，控制fpga dq等引脚的延迟，一般为200Mhz。

b，系统时钟引脚，当使用内部mmcm产生时钟时，需设置no buffer；当使用引脚引入时钟时，那么外部差分时钟需要IBUFDS或者IBUG接入mig系统时钟引脚。同时，系统时钟所在的CC（clock capable）引脚必须和memory接口在同一column，且推荐放在和控制引脚一个bank，7系列fpga具体查询ug475 中的die level bank numbering。

c，phy时钟引脚，推荐放在一个字节组的dqs引脚。

d，当DDR3速率低于800Mhz时，可以设置internal Vref，释放Vref引脚作为普通io口使用。

e，其余管脚分配，7系列fpga需要查看UG475来看哪些bank可以用作memory接口，一般一个bank放数据组（对于32位ddr3，有4个字节组，一个字节组为8+2+1），一个bank放地址和控制引脚。需要注意的一点是有的bank虽然带有memory接口属性，但是不要使用，例如bank14，因为ddr3电平为1.5v或者1.35v，而bank14又是系统bank，flash引脚在这一bank，一般为3.3v，就冲突了。

2，MIG用户接口
          下图为一个写时序图，MIG核规定，写数据可以先与写指令，也可以和写指令同时发出，也可以在写指令之后，但是最多延迟2个周期，同时发出了写指令就一定要有写数据。写流程需要注意两点：

a，以32位ddr3为例，对于BL8模式，如果设置时钟比率为2:1，那么用户数据app_wdf_data位宽为128，那么一次burst需要两个app_wdf_data，那么app_wdf_end就应该在第二个app_wdf_data拉高；如果设置比率为4:1，那么用户数据app_wdf_data位宽为256，那么一次burst就需要一个app_wdf_data，同时app_wdf_end在每一个app_wdf_data拉高。

b，app_addr在BL8模式中按8增加。

c，内存数据的写入都是按intel模式，即小端模式，低地址放低字节，高地址放高字节，比如一个64‘h0001_0002_0003_0004’，那么写入dram的数据就为04 00 03 00 02 00 01 00。

下图为读时序，没什么好说的。

2.2 仿真结果
        没啥好看的，前面说的差不多了。

3，实际应用
        实际应用中，视频处理器就会用ddr3来作为视频帧缓存介质。

视频处理器一般的结构为：1，视频源接口（hdmi、dvi、dp、sdi等）经过视频解码芯片（sil9233、ep91a2e等），信号由模拟转为数字，供fpga使用（v_clk、vsync、hsync、de、dq）。2，fpga根据场同步信号vsync做帧同步，根据数据有效信号de或者行同步信号hsync做行同步。对于8位rgb图像，图像信号dq为24位。3，按流水线进行图像处理的相关操作（色域校正、色温校正、gama等），然后存入ddr3。4，网口根据面积区域参数，从ddr3中读出相应的数据并发出。

这其中有一些关键点：

1，时钟域的转换，最开始数据是在解码芯片出来的像素时钟域，一般做处理时需要转换到系统时钟域，存储时又需要转换到ddr3时钟域，最后网口发送又需要转换到网口时钟域，如果用到光纤，那么会用到serdes ip，那么这里还有一个网口时钟到serdes tx时钟的转换 ，我们使用serdes时，一般接收、发送都采用内部时钟，最终收数据或者发数据都采用serdes ip发出来的时钟 。功能实现当然是通过异步fifo实现的。

2，数据处理，这里主要包含两个部分：一是数据位宽的处理，一个像素点是24bit（按8bit图像计算），而最终存储的ddr3用户接口为256bit（按4:1时钟，32位位宽），那么就有一个24bit到256bit的转换。 二是图像处理，即将像素点并行处理，做乘法运算，具体一个处理几个点，根据速度定，点数越多，需要的并行模块越多，消耗的资源越多。

实际应用中，我是先将24bit数据转换为48bit数据，图像一行一行来，可能是奇数个点，也可能是偶数个点，如果一行图像为奇数个点，那么最后一个48bit的高24bit就是无效数据，为了后面处理方便，我将每个点加上两个标志位，一个数据有效信号de，一个最后一个像素点信号de_last，每个像素点变为26bit，然后通过fifo进行跨时钟域处理（这里fifo非空就读）。在系统时钟域中，我们做图像校正处理，一次处理两个点，那么就需要并行6个乘法器；如果还需要做其他处理，就继续以流水线的方式处理，注意最后要把两个标志位时序对齐。接下来就是48bit到256bit的转化，我先找出两者的最小公倍数即768，那么48bit就需要16个单元，设计时按0~15计数，向256x2的两个ram中写数据（这里有pingpong操作的思想），在计数为5、10、15以及最后de_last信号处，置高fifo写使能信号即可，同样，由于图像点不一定能组成256的倍数，因此最后还需要强制写一次。至于什么时候读，看自己考虑，可以等fifo计数为128时开始读fifo，正好写一行ddr3，但是需要注意最后要强制读一次。最后就是从ddr3读数据通过网口发出去，一般情况下各个网口通过轮询的方式将上位机设置的面积发送出去，这里生每个网口发送模块需要用到fifo，而且此fifo的读时机和深度选择是需要慎重考虑的，既要保证数据无溢出，又要保证fifo不被读空。同时，上位机的面积参数转换到ddr3的地址，也是需要计算的。

总的来说，ddr3的使用难点并不在于本身的控制，而在于带宽的分配。一般对ddr3的操作都采用pingpong操作，提高速度。另外，数据流的处理应该慎重考虑什么地方分开，什么地方聚合；数据怎么写入，就应该怎么读出，提前设计好ddr3的存储模型。

4，后话
    由于sdram的控制和ddr3差不多，这里也提几句吧。sdram不能像ddr3那样缓存多个指令，因此控制起来较为简单，可以自己写驱动，具体思路就是先初始化，然后等待相应的操作跳转到对应状态机，修改we、ras、cas、地址、数据等信号，没有操作就跳转到刷新。实际应用中，我的sdram操作主要包含4个状态两两互为pingpong，一是图像的存储，一行一行的存储，数据没有紧密排列，而是一个点24bit占一个存储单元32bit；二是从一中读取存储的图像，做图像处理，如gamma校正、亮度色度校正、修缝、切片交织等，这两个互为pingpong。三是将处理的数据重新写入sdram，四是从三写入的数据中读出供显示驱动使用，这两个互为pingpong。当然还有一些其他占用sdram带宽的地方，比如上电校正系数的加载、快速升级等。
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