一、DDR3簡(jiǎn)介

DDR3全稱double-data-rate 3 synchronous dynamic RAM，即第三代雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。所謂同步，是指DDR3數(shù)據(jù)的讀取寫入是按時(shí)鐘同步的；所謂動(dòng)態(tài)，是指DDR3中的數(shù)據(jù)掉電無(wú)法保存，且需要周期性的刷新，才能保持?jǐn)?shù)據(jù)；所謂隨機(jī)存取，即可以隨機(jī)操作任一地址的數(shù)據(jù)；所謂double-data-rate，即時(shí)鐘的上升沿和下降沿都發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸。

圖1. DDR3結(jié)構(gòu)

二、地址的概念及容量計(jì)算

2.1地址的概念

DDR3的內(nèi)部是一個(gè)存儲(chǔ)陣列，將數(shù)據(jù)“填”進(jìn)去，你可以它想象成一張表格。和表格的檢索原理一樣，先指定一個(gè)行（Row），再指定一個(gè)列（Column），我們就可以準(zhǔn)確地找到所需要的單元格，這就是內(nèi)存芯片尋址的基本原理。對(duì)于內(nèi)存，這個(gè)單元格可稱為存儲(chǔ)單元,那么這個(gè)表格（存儲(chǔ)陣列）就是邏輯 Bank（Logical Bank，下面簡(jiǎn)稱Bank）。

DDR3內(nèi)部Bank示意圖，這是一個(gè)MXN的陣列，B代表Bank地址編號(hào)，C代表列地址編號(hào)，R代表行地址編號(hào)。如果尋址命令是B1、R3、C4，就能確定地址是圖中紅格的位置目前DDR3內(nèi)存芯片基本上都是8個(gè)Bank設(shè)計(jì)，也就是說(shuō)一共有8個(gè)這樣的“表格”。尋址的流程也就是先指定Bank地址，再指定行地址，然后指列地址最終的確尋址單元。

圖2. DDR3地址

目前DDR3系統(tǒng)而言，還存在物理Bank的概念，這是對(duì)內(nèi)存子系統(tǒng)的一個(gè)相關(guān)術(shù)語(yǔ)，并不針對(duì)內(nèi)存芯片。內(nèi)存為了保證CPU正常工作，必須一次傳輸完CPU 在一個(gè)傳輸周期內(nèi)所需要的數(shù)據(jù)。而CPU在一個(gè)傳輸周期能接受的數(shù)據(jù)容量就是CPU數(shù)據(jù)總線的位寬，單位是bit(位)?？刂苾?nèi)存與CPU之間數(shù)據(jù)交換的北橋芯片也因此將內(nèi)存總線的數(shù)據(jù)位寬等同于CPU數(shù)據(jù)總線的位寬，這個(gè)位寬就稱為物理Bank（Physical Bank，有的資料稱之為Rank）的位寬。目前這個(gè)位寬基本為64bit。

2.2 DDR3容量計(jì)算

假設(shè)：

bank地址線位寬為3，及bank數(shù)目為 2^3=8；

行地址線位寬位13，及A0…A12；

列地址線位寬為10，及A0…A9；

有 2^3 * 2^13 * 2^10 = 2^26 =67108864b= 64Mb

再加上數(shù)據(jù)線，則容量為 64Mb x 16 = 128M Byte = =1G bit

三、重要給概念理解

3.1 行選通周期

在實(shí)際工作中，Bank地址與相應(yīng)的行地址是同時(shí)發(fā)出的，此時(shí)這個(gè)命令稱之為“行激活”（Row Active）。在此之后，將發(fā)送列地址尋址命令與具體的操作命令（是讀還是寫），這兩個(gè)命令也是同時(shí)發(fā)出的，所以一般都會(huì)以“讀/寫命令”來(lái)表示列尋址。根據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，從行有效到讀/寫命令發(fā)出之間的間隔被定義為tRCD，即RAS to CAS Delay（RAS至CAS延遲，RAS就是行地址選通脈沖，CAS就是列地址選通脈沖），我們可以理解為行選通周期。tRCD是DDR的一個(gè)重要時(shí)序參數(shù)，廣義的tRCD以時(shí)鐘周期（tCK，Clock Time）數(shù)為單位，比如tRCD=3，就代表延遲周期為兩個(gè)時(shí)鐘周期，具體到確切的時(shí)間，則要根據(jù)時(shí)鐘頻率而定，時(shí)鐘頻率100M,tRCD=3，代表30ns的延遲。

圖3. 行選通周期tRCD

3.2 列地址脈沖選通潛伏期

相關(guān)的列地址被選中之后，將會(huì)觸發(fā)數(shù)據(jù)傳輸，但從存儲(chǔ)單元中輸出到真正出現(xiàn)在內(nèi)存芯片的 I/O 接口之間還需要一定的時(shí)間（數(shù)據(jù)觸發(fā)本身就有延遲，而且還需要進(jìn)行信號(hào)放大），這段時(shí)間就是非常著名的 CL（CAS Latency，列地址脈沖選通潛伏期）。CL 的數(shù)值與 tRCD 一樣，以時(shí)鐘周期數(shù)表示。如 DDR3-800，時(shí)鐘頻率為 100MHz，時(shí)鐘周期為 10ns，如果 CL=2 就意味著 20ns 的潛伏期。

注：CL只是針對(duì)讀取操作。

圖4. CL的概念(CL=2，tAC=1)

注意：delay與Latency雖然都有“延遲”的意思，但本質(zhì)上是不同的

Delay ：事情要在這個(gè)時(shí)間之后開始

Latency：事情已經(jīng)發(fā)生，但是還不夠穩(wěn)定需要一個(gè)穩(wěn)定時(shí)間

3.3 突發(fā)傳輸?shù)母拍?/span>

目前內(nèi)存的讀寫基本都是連續(xù)的，因?yàn)榕cCPU交換的數(shù)據(jù)量以一個(gè)Cache Line（即CPU內(nèi)Cache的存儲(chǔ)單位）的容量為準(zhǔn)，一般為64字節(jié)。而現(xiàn)有的Rank位寬為8字節(jié)（64bit），那么就要一次連續(xù)傳輸8次，這就涉及到我們也經(jīng)常能遇到的突發(fā)傳輸?shù)母拍?。突發(fā)（Burst）是指在同一行中相鄰的存儲(chǔ)單元連續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，連續(xù)傳輸?shù)闹芷跀?shù)就是突發(fā)長(zhǎng)度（Burst Lengths，簡(jiǎn)稱BL）。

在進(jìn)行突發(fā)傳輸時(shí)，只要指定起始列地址與突發(fā)長(zhǎng)度，內(nèi)存就會(huì)依次地自動(dòng)對(duì)后面相應(yīng)數(shù)量的存儲(chǔ)單元進(jìn)行讀/寫操作而不再需要控制器連續(xù)地提供列地址。這樣，除了第一筆數(shù)據(jù)的傳輸需要若干個(gè)周期（主要是之前的延遲，一般的是tRCD+CL）外，其后每個(gè)數(shù)據(jù)只需一個(gè)周期的即可獲得。

連續(xù)讀取模式：只要指定起始列地址與突發(fā)長(zhǎng)度，后續(xù)的尋址與數(shù)據(jù)的讀取自動(dòng)進(jìn)行，而只要控制好兩段突發(fā)讀取命令的間隔周期（與BL相同）即可做到連續(xù)的突發(fā)傳輸。

在 DDR SDRAM 中，突發(fā)長(zhǎng)度只有 2、4、8 三種選擇，沒(méi)有了隨機(jī)存取的操作（突發(fā)長(zhǎng)度為 1）和全頁(yè)式突發(fā)。這是為什么呢？因?yàn)?L-Bank一次就存取兩倍于芯片 位寬的數(shù)據(jù)，所以芯片至少也要進(jìn)行兩次傳輸才可以，否則內(nèi)部多出來(lái)的數(shù)據(jù)怎么處理？但是，突發(fā)長(zhǎng)度的定義也與 SDRAM 的不一樣了，它不再指所連續(xù)尋址的存儲(chǔ)單元數(shù)量，而是指連續(xù)的傳輸周期數(shù)，每次是一個(gè)芯片位寬的數(shù)據(jù)。

上面是別人的解釋，筆者結(jié)合自己的理解和代碼實(shí)現(xiàn)中再解釋一下：

突發(fā)傳輸是為了提高傳輸效率，這涉及到預(yù)取的概念；DDR3突發(fā)長(zhǎng)度BL=8，在t1時(shí)刻我們發(fā)起讀命令，給出地址addr1，那么因?yàn)槭峭话l(fā)傳輸，所以實(shí)際我們將讀出addr1以及它之后地址，總共8個(gè)地址，也就讀出了8個(gè)數(shù)據(jù)；那么t2時(shí)刻，我們繼續(xù)讀數(shù)，給出的地址addr=addr1+8；結(jié)合下圖更容易理解：

圖5. 突發(fā)傳輸

注：

t1 ,t2 / t3，t4時(shí)刻不一定連續(xù)；要看ddr是否準(zhǔn)備好，具體到代碼就是app_rdy 并不是一直為高；

3.4 掩碼

掩碼簡(jiǎn)單解釋下，就是屏蔽掉我們傳輸不需要的數(shù)據(jù)；掩碼每一位bit對(duì)應(yīng)ddr數(shù)據(jù)的1個(gè)字節(jié)；當(dāng)掩碼為0，數(shù)據(jù)有效；當(dāng)掩碼為1，數(shù)據(jù)屏蔽；

一般不使用，傳輸數(shù)據(jù)全部有效，掩碼直接置0：(掩碼位寬根據(jù)數(shù)據(jù)位寬而定)

assign app_wdf_mask = 64'b0；

3.5 數(shù)據(jù)選取脈沖（DQS）

DQS 是DDR中的重要功能，它的功能主要用來(lái)在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)準(zhǔn)確的區(qū)分出每個(gè)傳輸周期，并便于接收方準(zhǔn)確接收數(shù)據(jù)。每一顆芯片都有一個(gè)DQS信號(hào)線，它是雙向的，在寫入時(shí)它用來(lái)傳送由北橋發(fā)來(lái)的DQS信號(hào)，讀取時(shí)，則由芯片生成DQS向北橋發(fā)送。完全可以說(shuō)，它就是數(shù)據(jù)的同步信號(hào)。

在讀取時(shí)，DQS與數(shù)據(jù)信號(hào)同時(shí)生成（也是在CK與CK#的交叉點(diǎn)）。而DDR內(nèi)存中的CL也就是從CAS發(fā)出到DQS生成的間隔，DQS生成時(shí)，芯片內(nèi)部的預(yù)取已經(jīng)完畢了，由于預(yù)取的原因，實(shí)際的數(shù)據(jù)傳出可能會(huì)提前于DQS發(fā)生（數(shù)據(jù)提前于DQS傳出）。由于是并行傳輸，DDR內(nèi)存對(duì)tAC也有一定的要求，對(duì)于DDR266，tAC的允許范圍是±0.75ns，對(duì)于DDR333，則是±0.7ns，有關(guān)它們的時(shí)序圖示見前文，其中CL里包含了一段DQS 的導(dǎo)入期。

DQS 在讀取時(shí)與數(shù)據(jù)同步傳輸，那么接收時(shí)也是以DQS的上下沿為準(zhǔn)嗎？不，如果以DQS的上下沿區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)周期的危險(xiǎn)很大。由于芯片有預(yù)取的操作，所以輸出時(shí)的同步很難控制，只能限制在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)在各I/O端口的出現(xiàn)時(shí)間可能有快有慢，會(huì)與DQS有一定的間隔，這也就是為什么要有一個(gè)tAC規(guī)定的原因。而在接收方，一切必須保證同步接收，不能有tAC之類的偏差。這樣在寫入時(shí)，芯片不再自己生成DQS，而以發(fā)送方傳來(lái)的DQS為基準(zhǔn)，并相應(yīng)延后一定的時(shí)間，在DQS的中部為數(shù)據(jù)周期的選取分割點(diǎn)（在讀取時(shí)分割點(diǎn)就是上下沿），從這里分隔開兩個(gè)傳輸周期。這樣做的好處是，由于各數(shù)據(jù)信號(hào)都會(huì)有一個(gè)邏輯電平保持周期，即使發(fā)送時(shí)不同步，在DQS上下沿時(shí)都處于保持周期中，此時(shí)數(shù)據(jù)接收觸發(fā)的準(zhǔn)確性無(wú)疑是最高的。

在寫入時(shí)，以DQS的高/低電平期中部為數(shù)據(jù)周期分割點(diǎn)，而不是上/下沿，但數(shù)據(jù)的接收觸發(fā)仍為DQS的上/下沿。

如何確定DDR3芯片的帶寬、位寬和最大IO時(shí)鐘頻率

這里以芯片Part Number ：MT41J256M16RH-125:E為例，打開芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)，會(huì)找到如下所示的介紹：

IO時(shí)鐘頻率：

根據(jù)Part Number 中的“-125”我們就可以找到圖中的“1”，根據(jù)這里tCK = 1.25ns，就可以算出芯片支持的最大IO時(shí)鐘頻率：1/1.25ns = 800Mhz;此處的IO時(shí)鐘頻率也就是DDR3的頻率；

位寬：

根據(jù)Part Number 中的“256M16”我們可以找到圖中2所指出的地方，這里的16是代表芯片的數(shù)據(jù)位寬是16位（也就是16根數(shù)據(jù)線）。

注意：

當(dāng)一個(gè)FPGA上掛多個(gè)DDR，如4片ddr3，位寬則會(huì)相應(yīng)增大；16*4 = 64bit，再乘以DDR3的突發(fā)長(zhǎng)度BL=8；那么程序設(shè)計(jì)里DDR3的讀寫位寬就變成了16*4*8=512bit；（這里留個(gè)印象，再后文IP例化及程序設(shè)計(jì)部分還會(huì)講到，到時(shí)候?qū)?yīng)起來(lái)看更容易理解）

明明是512M的DDR，為什么又寫成256M呢？因?yàn)?56M16是16根數(shù)據(jù)線16bit，對(duì)應(yīng)過(guò)來(lái)就是2個(gè)byte；256M *16bit = 512MByte；一般大B 指的是Byte，小b指的是bit；

帶寬：

由于是DDR方式傳輸數(shù)據(jù)（上升和下降沿都傳輸），所以芯片的一根數(shù)據(jù)線上的傳輸速率 = 2*800Mhz = 1600MT/s。其實(shí)就是1600Mbit/s;

帶寬就是16根數(shù)據(jù)線同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率 = 1600Mbit/s x 16 = 25600Mbit/s = 3200Mbyte/s = 3.125GByte/s

、FPGA所支持的最大頻率

翻看k7數(shù)據(jù)手冊(cè)ds182可以看到：

從上圖中紅線標(biāo)出的地方可以看出，此FPAG芯片的MIG支持最大PHY速率是800Mb/s（注意，這是數(shù)據(jù)傳輸速率）。因?yàn)槭鞘褂肈DR模式傳輸數(shù)據(jù)，所以最大時(shí)鐘頻率= 800/2 = 400Mhz。（還記得剛剛DDR3 芯片支持的最大IO時(shí)鐘頻率嗎？800Mhz,在下面的MIG參數(shù)設(shè)置中，就會(huì)用到這兩個(gè)參數(shù)）。

時(shí)鐘結(jié)構(gòu)

在說(shuō)具體的時(shí)鐘參數(shù)設(shè)置之前，我們先來(lái)看一張圖 MIG 的 Clocking Architecture

根據(jù)本圖很明顯的告訴了我們，需要給MIG提供兩個(gè)時(shí)鐘，一個(gè)叫system clock（主時(shí)鐘），一個(gè)叫reference clock（參考時(shí)鐘）。

但是在MIG中，如何對(duì)這些時(shí)鐘參數(shù)進(jìn)行設(shè)置（描述）呢？看好了，接下來(lái)開始畫重點(diǎn)了！?。。。?/span>

在MIG中，涉及到對(duì)時(shí)鐘參數(shù)進(jìn)行設(shè)置（描述）的地方有四處，接下來(lái)我們一個(gè)一個(gè)的看：

第一處，如下圖所示

這里設(shè)置的參數(shù)就是 MIG 的PHY 接口對(duì)DDR3的時(shí)鐘，也就是DDR3芯片實(shí)際跑的IO時(shí)鐘頻率，它由system clock（主時(shí)鐘）倍頻而來(lái)，最大頻率不能超過(guò)DDR3 和MIG支持的最大頻率中的最小值，如：雖然我們的DDR3芯片最高支持800Mhz的IO時(shí)鐘，但是由于我們使用的FPGA芯片的MIG最高只支持400Mhz的時(shí)鐘，所以這里我們選擇400Mhz（當(dāng)然也可以選擇比這個(gè)?。Ｏ旅嬗袀€(gè)4:1,說(shuō)明MIG 輸出到app接口上的時(shí)鐘ui_clk 是 400M/4=100M ，即到時(shí)我們?cè)趯慠TL邏輯代碼時(shí)操作MIG核時(shí)，用的就是這個(gè)100M時(shí)鐘。

第二處、還是如圖所示

這里就是設(shè)置system clock（主時(shí)鐘）的輸入頻率，實(shí)際是多少就寫多少。

第三、四處，繼續(xù)如下圖所示

圖中的“3”是設(shè)置（描述）system clock （主時(shí)鐘）是差分輸入還是單端等其他形式的輸入，這里我們選擇差分輸入

同理，圖中的“4”是對(duì)reference clock(參考時(shí)鐘)進(jìn)行描述。主意：如果system clock 頻率設(shè)置為200Mhz(看第二處)，這里就可以直接選“Use System Clock”,否則就沒(méi)有“Use System Clock”這個(gè)選項(xiàng)，要是選其他選項(xiàng)，后面還需要對(duì)reference clock進(jìn)行設(shè)置，如下圖所示

行業(yè)術(shù)語(yǔ)

核心頻率：核心頻率就是DDR物理層（PHY）IO時(shí)鐘頻率，對(duì)應(yīng)到MIG就是第一個(gè)配置的“CLOCK PERIOD”，上文我們選擇的是800Mhz

工作頻率：核心頻率* 2 （上下沿）= 1600M核心頻率* 2 = 1600M

傳輸速率：核心頻率* 2 = 1600MT/s

帶寬：傳輸速率*位寬 = 1600M * 16 = 25600Mbit/s = 3200Mbyte/s = 3.125GByte/s

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