DDR3上的雙讀寫通道設計與實現

唐　瑞，葉李萍，王經坤，姚遠程

(1.西南科技大學信息工程學院,四川 綿陽 621010；2.西華師范大學商學院，四川 南充 637000)

0　引言

第三代雙倍數據傳輸速率同步動態隨機存儲器(double-data-rate three synchronous dynamic random access memory,DDR3 SDRAM)自面世以來，以其相對于DDR2更高的運行效能與更低的電壓功耗等優勢，迅速在諸多領域中取代了DDR2，成為新一代高速、大容量數據緩存器中的較好選擇[1]。通常Xilinx官方提供的DDR3 IP核中默認只有一套讀寫通道，讀寫共用同一套地址[2]。本設計是在DDR3上，切割出兩套獨立讀寫通道，基于時分復用(time division multiplexing,TDM)原則，使每一套讀寫接口互不影響。在第一套接口中向DDR3寫入數據的同時，該設計實現了向第二套接口中寫入或者讀出數據，增強了DDR3的靈活性，提高了DDR3的使用效率。

1　DDR3的雙讀寫通道設計

隨著高速圖像處理技術的飛速發展，在實現圖像算法的過程中，往往需要實時處理大量的數據，所以必須采用高速數據緩存器DDR3作為實時數據緩存工具。目前，各大FPGA廠商都提供了對DDR3讀寫控制的IP核。但該IP核僅支持一套讀寫接口[3]，無法同時進行讀寫。這是由于DDR3本身的特性所決定的。為了彌補這一缺點，需要設計一種從用戶接口到DDR3的橋接電路。該電路使用時分復用的設計理念，能充分提高DDR3的讀寫效率；同時，結合外部的緩存器先入先出隊列(first input first output,FIFO)，可同時實現對DDR3的讀寫操作。

2　實現方案設計

本文使用Xilinx公司提供的IP核，生成控制DDR3的控制器核(memory interface generator,MIG)，并與用戶接口[4]。本設計在該控制器的基礎上，通過時分復用原則，將一套不獨立的讀寫通道搭建為雙獨立的讀寫通道，能滿足用戶同時讀寫的要求。

2.1　硬件模塊結構

整個硬件模塊分為4大部分：用戶接口模塊，時分復用橋接電路模塊，Xilinx公司所提供的DDR3控制器以及DDR3芯片。其中，用戶接口模塊作為面向用戶的接口，包含兩套獨立的讀寫接口。此模塊是發起讀寫操作的源頭。時分復用橋接電路模塊可實現雙讀寫端口向單讀寫端口的轉換。此模塊內部包含4個FIFO，用于DDR3讀寫雙通道的數據臨時緩存。DDR3控制器由IP核MIG生成，能完成對DDR3寫入數據和讀出數據的操作，是DDR3的主要控制器，但其僅有一套非獨立讀寫通道。DDR3高速數據緩存器屬于外部硬件器件，可實現數據存儲功能。整個系統硬件設計結構如圖1所示。

圖1　　系統硬件設計結構圖Fig.1　Structure of system hardware design

2.2　用戶接口模塊設計

用戶接口包括兩套獨立的讀寫接口port1和port2，可實現用戶數據、用戶配置信息與橋接電路模塊之間的交互。在每套讀寫接口中均有配置端口和數據端口。配置端口包括用戶需要讀(寫)的數據長度，讀(寫)操作的起始地址，讀(寫)命令信號的觸發，讀(寫)操作完成反饋信號；數據端口包括寫入的數據信號，寫入數據有效信號，讀出數據有效信號與讀出的數據信號。port1與port2兩套讀寫接口完全一致，皆包含以上信息。本設計所采用的同步時鐘是由DDR3控制器核輸出的用戶時鐘。該同步時鐘為200 MHz。

2.3　時分復用橋接電路設計

2.3.1時分復用狀態機設計

本文采取時分復用的思想，通過數據切換器，使兩套讀寫接口分時地與DDR3控制器接口相連接。每組讀寫接口負責讀和寫兩種任務。所以，總的狀態可以分為4種：port1寫數據任務，port1讀數據任務，port2寫數據任務，port2讀數據任務。由用戶接口模塊配置的指令決定執行哪些指令。用戶可以同時下達多個指令任務，由時分復用輪循機制輪流執行任務，以達到同時讀寫的效果[5]。

為了讓4個任務在執行時避免因建立沖突而相互獨立，需要定義4個狀態。每個狀態對應執行一個任務。狀態機在空閑狀態中經過條件判斷結構，確定跳轉到用戶下達的任務狀態；進入任務狀態后，開始任務執行計時；任務計時計滿后，無論該任務是否執行完畢，都通過一個額外的結束狀態跳轉到空閑狀態，以完成循環。時分復用狀態機設計如圖2所示。

圖2　時分復用狀態機設計圖Fig.2　Design of the TDM state machine

圖2中，IDEL為空閑狀態。在該狀態中，可實現4種任務命令檢測，并對用戶已下達的多個任務指令進行執行順序的劃分。任務執行順序的劃分采用了1個2 bit位寬的單向計數器flag來實現。flag值為1，對應port1寫數據任務；flag值為2，對應port1讀數據任務；flag值為3，對應port2寫數據任務；flag值為0，對應port2讀數據任務。規定flag在任務執行計時滿8個時鐘周期之后，不管任務是否完成，都跳轉到空閑狀態，flag自動單向加1。flag的不同值代表著對不同任務指令情況進行檢測。當flag為1時，若檢測到用戶下達過port1寫數據任務，而此時又是在port1寫狀態中，則執行該任務；若沒有檢測到用戶下達過port1寫數據任務，則返回，flag自動單向加1，并進行下一個任務狀態檢測[6]。

2.3.2實現時間片的劃分

用戶下達的不同指令任務信息會存儲在不同的對應寄存器中。當上電復位時，該寄存器值為0。當用戶發送讀(寫)指令任務(上升沿脈沖觸發)時，該寄存器值置1，完成任務下達。當任務執行一段時間后，如通過地址長度檢測到該任務被執行完成，則該命令寄存器被清零，完成任務。

為了實現用戶發布的指令任務能同時進行，設計中若單個任務耗時長于8個時鐘單位，則該任務不能被一次性執行完畢，而是采用任務執行計時的機制。通過定義一個任務執行時間計數器，無論任務是否執行完畢，只要該計數器達到閾值，便立即跳出執行狀態并回到IDEL，flag加1，自動檢測執行其他隊列任務。這樣使用輪循的時分復用機制，能滿足同時讀寫的目標。該過程完成了對DDR3執行各種任務時間片的切分。設計中所設置的兩組接口讀寫數據任務定時閾值為8個時鐘周期，同步時鐘為200 MHz[7]。

在經過多次循環后，用戶發布的所有任務被執行完畢。在此過程中，讀寫數據個數計數器對任務中讀寫的數據總量進行計數。系統每讀寫一個數據，則與任務相對應的讀寫數據個數計數器便累加一次。當累計值達到用戶配置的讀寫數據個數(用戶配置讀寫數據長度，通過讀寫數據長度來換算出具體的讀寫數據個數)時，判定本次任務執行完畢，從而將該任務對應的寄存器中的任務信號置0。

系統檢測到讀(寫)命令后，即跳轉到相應的狀態執行任務。每個不同的任務狀態映射為對DDR3控制器讀(寫)操作的不同配置。在進入不同狀態的同時，對應任務起始地址端口的地址值被寄存在相應的地址寄存器中。4個這樣的地址寄存器通過任務狀態控制的數據選擇器連接到DDR3控制器的地址端口。在DDR3和對應FIFO準備完畢的前提下，每次對App_wdf_data端口讀(寫)一個數據，地址寄存器便自增8。由于該端口位寬為512 bit，而DDR3存儲單元位寬只有64 bit，即相當于一次存取了8個DDR3單元數據。當地址寄存器計數至用戶配置的地址緩存長度時，讀(寫)數據個數計數器同時記滿，任務執行完畢，解除任務指令，任務寄存器有效信號置0。

用戶接口電路中使用了4個FIFO作為數據緩存。待寫入DDR3的數據被緩存在寫數據FIFO中。寫數據FIFO輸入位寬為256 bit，輸出位寬為512 bit，以便與DDR3控制器對接。待讀取的數據被緩存在讀數據FIFO中。讀數據FIFO的輸入位寬為512 bit，輸出位寬為256 bit，以便與用戶接口對接。當讀寫FIFO出現任何讀空或因寫滿而導致其未準備好時，整個系統的任務都將暫停執行，直到FIFO恢復正常才可繼續執行。

3　板級實際測試

系統采用Xilinx的SUME開發板作為實現平臺。FPGA采用Vertex7系列的XC7VX690TFFG1761。在Xilinx的VIVADO集成開發環境中，根據以上硬件設計方法，采用VerilogHDL建模實現系統功能。編寫用戶模塊產生數據和控制信息源，通過綜合布局、布線生成比特流文件；然后將比特流文件下載到FPGA板卡上，借助集成在VIVADO中的在線邏輯分析儀工具Debug，實現對測試信號的抓取分析[8]。

經實際上板測試，若同時往port1與port2寫入一定長度的數據：分析Debug工具抓取到的結果，基本實現了同時向DDR3的port1與port2寫入數據，數據和有效信號都能同時從用戶接口模塊送入時分復用橋接電路。但從抓取DDR3核的寫入數據端口可以看到，實際上數據是被輪流寫入port1與port2的，地址在兩個接口間輪流切換，直至寫完用戶規定的地址長度。同樣地，同時對寫入數據進行讀取，分別從port1里讀取剛才寫入port1的數據，從port2里讀出剛才寫入port2的數據。此時可以看出，雖從總體上是兩個端口同時在讀數據，但實際放大后是分時間片讀數據。port1和port2接口交替讀取，提高了DDR3實際使用效率，沒有閑置狀態。

為了驗證數據的正確性，定義了一個累加數據源，同時向port1與port2寫入一定大小的數據；分別利用Debug工具抓取用戶接口模塊的寫入數據與DDR3核接口的寫入數據，對比其是否相同，以確定數據是否成功寫入。從板級測試可以確認，在按照規定時序送入port1與port2的累加數時，從0開始累加，并隨著數據有效信號每次加1，一直寫到規定長度。因此，從地址對應的數據來看，寫入DDR3數據驗證成功。而在寫入數據完成之后，port_wr_done信號拉高，告知用戶已經準備好讀取數據。用戶接口此時送入讀取指令，在port1和port2中同時讀取剛才寫入的數據。從Debug的信息來看，port1與port2能同時讀取數據，且數據為從0開始依次累加，與寫入數據一致，所以DDR3讀取驗證成功。此外，用戶每次下達任務時都能在DDR3的任意地址范圍內選擇讀、寫數據的地址，比如選擇性讀取幾段而非全部數據，以此來測試本設計的靈活性。板級測試表明，DDR3能按要求靈活選擇寫入或讀出地址，各功能可正常使用。

4　結束語

基于Xilinx公司提供的DDR3 IP核控制器MIG，完成了在DDR3上切割為雙獨立讀寫通道的用戶接口。兩套接口互不干擾，能同時完成讀寫操作[9]。設計了一種時分復用橋接電路，將DDR3 IP核MIG提供的一套控制接口搭建為兩套獨立的用戶讀寫接口，通過數據切換器使兩套用戶讀寫接口按時間片分時與DDR3控制器接口相連。通過Virtex-7 XC7V690T板級測試，證明了該DDR3雙讀寫通道控制器能高速、穩定、有效地工作，能滿足用戶同時進行兩套接口的讀寫操作；用戶接口操作時鐘達到200 MHz，DDR3內部數據存儲時鐘達到800 MHz。此雙通道DDR3緩存器適用于各種需要大量高速緩存數據的系統的研發工作，突破了傳統DDR3僅有一套非獨立讀寫接口的局限，提高了DDR3的靈活性與工作效率。

參考文獻:

[1] 唐瑞，姚遠程，秦明偉.高速圖像模擬源的研究與實現[J]．自動化儀表，2017,38(8)：40-44.

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[3] 董旭明，李志斌.計算機視覺在并聯機器人運動學標定中的應用[J]．自動化儀表，2016,37(5)：16-19.

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[8] 畢然.基于DDR3的CMOS高速圖像采集系統的FPGA設計與實現[D].哈爾濱: 哈爾濱理工大學,2015.

[9] JANESKV J,RIZZO N D,HOUSSAMEDDINE D.Device performance in a fully functional 800MHz DDR3 spin torque magnetic random access memory[C]//Memory Workshop (IMW),2015 5th IEEE International,Taipei,2015.