【Verilog】基于Verilog的DDR控制器的简单实现(一)——初始化

news2024/12/29 1:54:30

在FPGA中,大规模数据的存储常常会用到DDR。为了方便用户使用,Xilinx提供了DDR MIG IP核,用户能够通过AXI接口进行DDR的读写访问,然而MIG内部自动实现了许多环节,不利于用户深入理解DDR的底层逻辑。
公众号:FPGA奇男子

本文以美光(Micron)公司生产的DDR3芯片MT41J512M8RH-093为例,说明DDR芯片的操作过程。
在这里插入图片描述

该芯片的datasheet可以从厂商官网下载得到:(https://www.micron.com/-/media/client/global/documents/products/data-sheet/dram/ddr3/4gb_ddr3l.pdf?rev=305217e2f9bd4ef48d7c6f353dfc064c),这个datasheet包含了Micron公司多款DDR芯片,这里MT41J512M8RH-093芯片对应数据位宽×8,总容量4G(512M×8),频率2133(-093)的产品,在表格中需要注意区分,不同产品在时序参数上会有所区别。
在这里插入图片描述

DDR芯片的使用关键在于令接口的信号变化满足时序要求,在初始化过程中主要关注下面几个时序参数(来自P33 Table 9: Timing Parameters Used for IDD Measurements – Clock Units与P96 Table 59: Electrical Characteristics and AC Operating Conditions for Speed Extensions (Continued))

* CK(MIN)   0.938 ns
* CL        14 CK
* RCD(MIN)  14 CK
* RC(MIN)   50 CK
* RAS(MIN)  36 CK
* RP(MIN)   14 CK
* FAW       27 CK
* RRD       6  CK
* RFC       279CK
* XPR       > max(5CK, RFC+10ns)
* MRD       > 4 CK
* MOD       > max(12 CK, 15ns)
* ZQinit    < max(512nCK, 640ns)
* DLLK      > 512 CK

从datasheet的P12页的Fig2. Simplified State Diagram可以看到,DDR3芯片在上电(Power applied)后需要经过一系列的初始化步骤(主要包含三个部分Reset Procedure、Initialization、ZQ Calibration),之后进入正常工作状态(idle)。
在这里插入图片描述

上图中Command由多个信号的变化构成,在初始化过程主要用到以下几个指令。(来自P118 Table 70: Truth Table – Command)

* COMMAND     | NOP | MRS_1 | MRS_2 | MRS_3 | MRS_4 | ZQCL             
* ddr_cke     | 1 1 |  1 1  |  1 1  |  1 1  |  1 1  |  1 1   
* ddr_dqs_en  |  0  |   0   |   0   |   0   |   0   |   0    
* ddr_dq_en   |  0  |   0   |   0   |   0   |   0   |   0     
* ddr_cs_n    |  0  |   0   |   0   |   0   |   0   |   0     
* ddr_ras_n   |  1  |   0   |   0   |   0   |   0   |   1    
* ddr_cas_n   |  1  |   0   |   0   |   0   |   0   |   1    
* ddr_we_n    |  1  |   0   |   0   |   0   |   0   |   0    
* ddr_ba      | vvv |  010  |  011  |  001  |  000  |  000   
* ddr_addr    | vvv |   28  |   00  |   44  |  124  | a[10]=1      
* ddr_odt     |  0  |   0   |   0   |   0   |   0   |   0   

这里将时钟周期取为最小时钟周期0.938ns,对应时钟频率1066.099MHz。经过计算,Initialization阶段每条指令执行后的等待时间均不超过1us,因此这里将Initialization阶段每条指令执行后的等待时间均简化1us,最终得到的DDR3初始化代码如下:

`timescale 1ns / 1ps
//
// Company: 
// Engineer: wjh776a68
// 
// Create Date: 01/05/2024 09:45:15 AM
// Design Name: micron_ddr
// Module Name: micron_ddr_init
// Project Name: micron_ddr
// Target Devices: vu9p
// Tool Versions: 2017.4
// Description: 
// 
// Dependencies: 
// 
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
// 
//

// ddr3 x8 4Gb MT41J512M8RH-093
/****************************
*  DDR3L-2133 https://www.micron.com/-/media/client/global/documents/products/data-sheet/dram/ddr3/4gb_ddr3l.pdf?rev=305217e2f9bd4ef48d7c6f353dfc064c
* CK(MIN) 0.938 ns
* CL        14 CK
* RCD(MIN)  14 CK
* RC(MIN)   50 CK
* RAS(MIN)  36 CK
* RP(MIN)   14 CK
* FAW       27 CK
* RRD       6  CK
* RFC       279CK
* XPR       >max(5CK, RFC+10ns)
* MRD       >4CK
* MOD       >max(12CK, 15ns)
* ZQinit    <max(512nCK, 640ns)
* DLLK      >512CK
* command all p118
* initial waveform p137
*
* COMMAND     | NOP | MRS_1 | MRS_2 | MRS_3 | MRS_4 | ZQCL             
* ddr_cke     | 1 1 |  1 1  |  1 1  |  1 1  |  1 1  |  1 1   
* ddr_dqs_en  |  0  |       |       |       |       |        
* ddr_dq_en   |  0  |       |       |       |       |         
* ddr_cs_n    |  0  |   0   |   0   |   0   |   0   |   0     
* ddr_ras_n   |  1  |   0   |   0   |   0   |   0   |   1    
* ddr_cas_n   |  1  |   0   |   0   |   0   |   0   |   1    
* ddr_we_n    |  1  |   0   |   0   |   0   |   0   |   0    
* ddr_ba      | vvv |  010  |  011  |  001  |  000  |         
* ddr_addr    | vvv |   28  |   00  |   44  |  124  |  a[10]      
* ddr_odt     |  0  |       |       |       |       |        
***************************************************************/
module micron_ddr_init #(
    parameter CLK_FREQ = 1066.099, // MHz
    parameter _1MS_CYCLE = 10.0**-3 / (1.0 / (CLK_FREQ * 10**6)),
    parameter _1US_CYCLE = 10.0**-6 / (1.0 / (CLK_FREQ * 10**6)),
    parameter integer INITIAL_CYCLE = 200 * _1US_CYCLE,
    parameter integer INITIAL_STABLE_CYCLE = 500 * _1US_CYCLE,
    parameter integer FREE_CYCLE = _1US_CYCLE
) (
    output  reg [15:0]  ddr_addr,
    output  reg [2:0]   ddr_ba,
    output  reg         ddr_cas_n,
    output  reg [0:0]   ddr_ck_n,
    output  reg [0:0]   ddr_ck_p,
    output  reg [0:0]   ddr_cke,
    output  reg [0:0]   ddr_cs_n,
    output  reg [0:0]   ddr_dm,
    inout       [7:0]   ddr_dq,
    inout       [0:0]   ddr_dqs_n,
    inout       [0:0]   ddr_dqs_p,
    output  reg [0:0]   ddr_odt,
    output  reg         ddr_ras_n,
    output  reg         ddr_reset_n,
    output  reg         ddr_we_n,

    input clk

);

localparam [27:0] NOP_CMD =  {11'b11000111000, 16'h0000, 1'b0};
localparam [27:0] MRS1_CMD = {11'b11000000010, 16'h0028, 1'b0};
localparam [27:0] MRS2_CMD = {11'b11000000011, 16'h0000, 1'b0};
localparam [27:0] MRS3_CMD = {11'b11000000001, 16'h0044, 1'b0};
localparam [27:0] MRS4_CMD = {11'b11000000000, 16'h0124, 1'b0};
localparam [27:0] ZQCL_CMD = {11'b11000110000, 16'h0400, 1'b0};

reg ddr_cke_p1, ddr_cke_p2;
reg ddr_dqs_i, ddr_dqs_o, ddr_dqs_en;
reg ddr_dq_i, ddr_dq_o, ddr_dq_en;

    OBUFDS OBUFDS_ck (
      .O(ddr_ck_p),   // 1-bit output: Diff_p output (connect directly to top-level port)
      .OB(ddr_ck_n), // 1-bit output: Diff_n output (connect directly to top-level port)
      .I(clk)    // 1-bit input: Buffer input
   );
   
   IOBUFDS #(
      .DQS_BIAS("FALSE")  // (FALSE, TRUE)
   )
   IOBUFDS_dqs_inst (
      .O(ddr_dqs_o),     // 1-bit output: Buffer output
      .I(ddr_dqs_i),     // 1-bit input: Buffer input
      .IO(ddr_dqs_p),   // 1-bit inout: Diff_p inout (connect directly to top-level port)
      .IOB(ddr_dqs_n), // 1-bit inout: Diff_n inout (connect directly to top-level port)
      .T(ddr_dqs_en)      // 1-bit input: 3-state enable input
   );
   
   IOBUF IOBUF_dq_inst (
     .O(ddr_dq_o),   // 1-bit output: Buffer output
     .I(ddr_dq_i),   // 1-bit input: Buffer input
     .IO(ddr_dq), // 1-bit inout: Buffer inout (connect directly to top-level port)
     .T(ddr_dq_en)    // 1-bit input: 3-state enable input
  );
  
  ODDRE1 #(
      .IS_C_INVERTED(1'b1),  // Optional inversion for C
      .IS_D1_INVERTED(1'b0), // Unsupported, do not use
      .IS_D2_INVERTED(1'b0), // Unsupported, do not use
      .SRVAL(1'b0)           // Initializes the ODDRE1 Flip-Flops to the specified value (1'b0, 1'b1)
   )
   ODDRE1_cke_inst (
      .Q(ddr_cke),   // 1-bit output: Data output to IOB
      .C(clk),   // 1-bit input: High-speed clock input
      .D1(ddr_cke_p1), // 1-bit input: Parallel data input 1
      .D2(ddr_cke_p2), // 1-bit input: Parallel data input 2
      .SR(1'b0)  // 1-bit input: Active High Async Reset
   );

//OBUFDS OBUFDS_dqs (
//      .O(ddr_dqs_p),   // 1-bit output: Diff_p output (connect directly to top-level port)
//      .OB(ddr_dqs_n), // 1-bit output: Diff_n output (connect directly to top-level port)
//      .I(ddr_dqs)    // 1-bit input: Buffer input
//   );

    reg [15:0]  ddr_addr_r;
    reg [2:0]   ddr_ba_r;
    reg         ddr_cas_n_r;
    reg [0:0]   ddr_cs_n_r;
    reg [0:0]   ddr_dm_r; // no ref
    reg [0:0]   ddr_odt_r;
    reg         ddr_ras_n_r;
    reg         ddr_we_n_r;
    reg         ddr_dq_en_r; 
    reg         ddr_dqs_en_r; 
    
   initial begin
       {ddr_cke_p2, ddr_cke_p1, ddr_dqs_en, ddr_dq_en, ddr_cs_n, ddr_ras_n, ddr_cas_n, ddr_we_n, ddr_ba, ddr_addr, ddr_odt} <= NOP_CMD;
       {ddr_cke_p2, ddr_cke_p1, ddr_dqs_en_r, ddr_dq_en_r, ddr_cs_n_r, ddr_ras_n_r, ddr_cas_n_r, ddr_we_n_r, ddr_ba_r, ddr_addr_r, ddr_odt_r} <= NOP_CMD;
   end

    always @(negedge clk) begin
        ddr_addr  <=  ddr_addr_r  ;
        ddr_ba      <=  ddr_ba_r    ;
        ddr_cas_n  <=  ddr_cas_n_r ;
        ddr_cs_n  <=  ddr_cs_n_r  ;
        ddr_dm      <=  ddr_dm_r    ;
        ddr_odt      <=  ddr_odt_r   ;
        ddr_ras_n  <=  ddr_ras_n_r ;
        ddr_we_n  <=  ddr_we_n_r  ;
        ddr_dq_en   <=  ddr_dq_en_r;
        ddr_dqs_en  <=  ddr_dqs_en_r;

    end


   reg [5:0] cs = 0, ns;
   reg [31:0]  initial_cnt = 0;
   reg [31:0]  initial_stable_cnt = 0;
   reg [31:0]  freerun_cnt = 0;
   reg [3:0]   initial_cmd_ptr = 0;
   reg [27:0] initial_cmd_seq[0:5] = '{NOP_CMD, MRS1_CMD, MRS2_CMD, MRS3_CMD, MRS4_CMD, ZQCL_CMD};
   reg initial_finish = 0;

   always @(negedge clk) begin
       cs <= ns;
   end

   always @(*) begin
       case (cs)
       0: begin
           if (initial_cnt == INITIAL_CYCLE) begin // wait 200us
               ns = 1;
           end else begin
               ns = 0;
           end
       end
       1: begin // wait 500us 
           if (initial_stable_cnt == INITIAL_STABLE_CYCLE) begin // wait 500us
               ns = 2;
           end else begin
               ns = 1;
           end
       end
       2: begin
           ns = 3;
       end
       3: begin
           if (freerun_cnt == FREE_CYCLE) begin
               if (initial_finish) begin
                   ns = 4;
               end else begin
                   ns = 2;
               end
           end else begin
               ns = 3;
           end
       end
       4: begin
           // finish initial, enter idle state
       end
       default: begin
           ns = 0;
       end
       endcase
   end

   always @(negedge clk) begin
       case (ns)
       0: begin
           initial_cnt <= initial_cnt + 1;
       end
       default: begin
           initial_cnt <= 0;
       end
       endcase
   end

   always @(negedge clk) begin
       case (ns)
       1: begin
           initial_stable_cnt <= initial_stable_cnt + 1;
       end
       default: begin
           initial_stable_cnt <= 0;
       end
       endcase
   end

   always @(negedge clk) begin
       case (ns)
       3: begin
           freerun_cnt <= freerun_cnt + 1;
       end
       default: begin
           freerun_cnt <= 0;
       end
       endcase
   end

   always @(negedge clk) begin
       case (ns)
       2: begin
           if (initial_cmd_ptr == 6 - 1) begin
               initial_finish <= 1;
           end else begin
               initial_finish <= 0;
           end
           initial_cmd_ptr <= initial_cmd_ptr + 1;
       end
       endcase
   end


   always @(negedge clk) begin
       case (ns)
       0: begin
           ddr_reset_n <= 1'b0;
           {ddr_cke_p2, ddr_cke_p1}    <= 2'b0;
           ddr_dqs_en_r <= 1'b0;
           ddr_dq_en_r  <= 1'b0;
       end
       1: begin
           ddr_reset_n <= 1'b1;
           {ddr_cke_p2, ddr_cke_p1}    <= 2'b0;
           ddr_dqs_en_r <= 1'b0;
           ddr_dq_en_r <= 1'b0;
       end
       2: begin
           {ddr_cke_p2, ddr_cke_p1, ddr_dqs_en_r, ddr_dq_en_r, ddr_cs_n_r, ddr_ras_n_r, ddr_cas_n_r, ddr_we_n_r, ddr_ba_r, ddr_addr_r, ddr_odt_r} <= initial_cmd_seq[initial_cmd_ptr];
       end
       3: begin
           {ddr_cke_p2, ddr_cke_p1, ddr_dqs_en_r, ddr_dq_en_r, ddr_cs_n_r, ddr_ras_n_r, ddr_cas_n_r, ddr_we_n_r, ddr_ba_r, ddr_addr_r, ddr_odt_r} <= NOP_CMD;
       end
       default: begin
           ddr_reset_n <= 1'b1;
       end
       endcase
   end


endmodule

上述代码已在Vivado 2017.4中进行了仿真测试,可替换ddr示例工程中的example_top自行仿真。
在这里插入图片描述

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利用ChatGLM3构建Prompt实现Text2SQL

之前使用ChatGLM3的自定义工具实现了查询MySQL数据库&#xff0c;但感觉功能还是比较受限。 https://blog.csdn.net/weixin_44455388/article/details/135270879?spm1001.2014.3001.5501 使用ChatGLM3实现Text2SQL 前言Text2SQL的构建第一阶段&#xff1a;SQL脚本构建&#xf…

听GPT 讲Rust源代码--compiler(32)

File: rust/compiler/rustc_middle/src/middle/exported_symbols.rs 在Rust的源代码中&#xff0c;rust/compiler/rustc_middle/src/middle/exported_symbols.rs文件的作用是实现编译器中处理导出符号的功能。 该文件中定义了一些结构体和枚举&#xff0c;用于描述导出符号的信…

MySQL 存储引擎和索引类型介绍

1. 引言 MySQL 是一个流行的关系型数据库管理系统&#xff0c;提供多种存储引擎以满足不同的业务需求。本文将介绍几种常见的 MySQL 存储引擎和索引类型比较&#xff0c;并给出相应的示例。 2. 存储引擎概述 2.1 InnoDB 存储引擎 InnoDB 是 MySQL 的默认存储引擎&#xff0…

向量数据库:usearch的简单使用+实现图片检索应用

usearch的简单使用 usearch是快速开源搜索和聚类引擎&#xff0c;用于C、C、Python、JavaScript、Rust、Java、Objective-C、Swift、C#、GoLang和Wolfram &#x1f50d;中的向量和&#x1f51c;字符串 // https://github.com/unum-cloud/usearch/blob/main/python/README.md …

解决ImportError: Failed to import test module: sys.__init__

解决ImportError: Failed to import test module: sys.init 背景 学习通过文件夹执行测试脚本时&#xff0c;出现了错误&#xff1a;ImportError: Failed to import test module: sys.__init__ 解决过程 根据报错信息&#xff1a;sys is not a package大胆猜测可能是文件名…

【MySQL】数据库之MMM高可用

目录 一、什么是MMM 二、关于MMM架构的说明 三、实操MMM的高可用 步骤一&#xff1a;完成主主复制、主从复制 步骤二&#xff1a;所有节点服务器都安装mysql-mmm,并完成mmm_common.conf文件的配置 步骤三&#xff1a;完成monitor节点服务器的配置文件修改mmm_mon.conf 步…

SpringCloud系列篇:入门讲解Spring Cloud是什么

&#x1f973;&#x1f973;Welcome Huihuis Code World ! !&#x1f973;&#x1f973; 接下来看看由辉辉所写的关于SpringCloud的相关操作吧 目录 &#x1f973;&#x1f973;Welcome Huihuis Code World ! !&#x1f973;&#x1f973; 一.Spring Cloud是什么 二.Spring …

家里有必要买NAS吗?

完全没有必要&#xff0c;因为用旧电脑搭建NAS不仅价格实惠&#xff0c;而且非常简单&#xff0c;效果也完全不差买了的&#xff01; 并且......还环保 教程链接&#xff1a; 用旧电脑搭建NAS在您的家庭中&#xff0c;通过将旧 PC 转变为NAS服务器&#xff0c;您可以轻松搭建…

Ubuntu 虚拟机挂接 Windows 目录

Windows 共享目录 首先 Windows 下共享目录 我这里偷懒直接直接 Everyone &#xff0c;也可以指定用户啥的 Ubuntu 挂接 挂接命令&#xff0c;类似如下&#xff1a; sudo mount -o usernamefananchong,passwordxxxx,uid1000,gid1000,file_mode0644,dir_mode0755,dynperm //…

04set注入专题/简单类型/数组/List/Set/Map/空字符串/null/特殊符号

1.1注入外部Bean 在之前使用的案例就是注入外部Bean的方式。 <!-- class属性声明要管理哪个类中的对象 property标签的name是提示set方法名ref标签指明注入的bean的id--><bean id"userServiceBean" class"com.powernode.spring6.service.UserService…