FPGA是否具有高速通信接口和高速內存接口已經是高端FPGA和低端FPGA的分水嶺了。低端FPGA一般只提供低速通用IO，速度最高的就是LVDS了。但是LVDS只提供了PHY層的邏輯，即串轉并，還需要自己實現數據鏈路層和應用層的邏輯。

高速FPGA的高速接口非常的豐富，一般包括用于高速通信的Serdes，PCIe硬核；用于高速存儲接口的DDR3、DDR4接口。另一方面，同樣的接口，不同廠家實現的方案也不同，比如Xilinx提供的DDR接口是用FPGA邏輯實現的軟核，而PCIe是直接硬核的資源；而PGL22G這款FPGA的DDR接口是使用硬核的HMEMC。

DDR內存控制器是非常復雜的一個IP，在實現的過程中會使用了非常多的資源，直接使用FPGA資源實現DDR控制器的缺點就是占用資源，但是優點是實現靈活，根據引腳分配規則可以分布在各個BANK上，這對于引腳分配和PCB布局布線是非常方便的，尤其在使用多個顆粒或DIMM實現32位或者64位總線內存的時候。而使用硬核的DDR控制器剛好相反，占用邏輯資源少，但是只能在固定位置。比如PGL22G包含兩個硬核HMEMC，分別在BANK L1/L2和BANK R1/R2，可以看到HMEMC的位置靠近器件封裝的兩側，可以直接和引腳相鄰，這樣的布局應該是方便布線和時序。

圖1.HMEMC在PGL22G中的位置

根據PANGO官方的數據手冊，HMEMC是可以bypass，從而使用軟核實現，個人感覺有這個需求的應該是很少的吧？

圖2.HMEMCdatasheet描述

這里可以看出DDR控制器的組成有兩個主要部分：DDRC和DDRPHY，如圖3圖4所示。這個看綜合后RTL視圖也可以看到，例化了DDR控制器之后，會在ipcore目錄下生成相應的RTL代碼。主要是對DDR控制器硬核資源進行配置和例化，而一些復位控制，鏈路訓練等是通過邏輯資源實現的。有興趣的可以直接看源代碼，只不過可讀性差了點。

圖3.HMEMC硬核DDRC

圖4.HMEMC硬核DDRPHY

再來看HMEMC的使用方法，可以通過IP_Compiler例化DDR控制器，最多支持3組AXI，1個128bit，2個64bit。在配置IP的時候可以選擇使用哪組，或者全部都用。支持多組AXI總線是有必要的，因為項目中經常有多個模塊需要訪問DDR，支持多個端口可以減少使用外部的Crossbar做多端口的仲裁和互聯。DDR控制器輸入的時鐘不需要硬件上額外提供，直接使用系統時鐘即可，在內部使用PLL倍頻到DDR速率。這里我有一點困惑，因為系統時鐘是50Mhz，但是DDR控制器最高速率支持1066Mhz，也就是PLL的輸出頻率是533Mhz，并不是整數倍分頻的。這里PGL22G的PLL真的可以做到這一點，還是工具有問題？（Xilinx的FPGA中只有MMCM才能實現分數倍頻率綜合）

DDR3帶寬測試

帶寬測試的基本方法是：向DDR里寫入數據（可以是遞增的數或偽隨機數），然后讀出進行比對，如果出錯則立即停止，否則對整個地址空間進行讀寫，然后記錄所用的時間，即可計算出帶寬。

首選對DDR控制器進行配置和例化，選擇一組128bit的AXI總線，DDR速率配置為800Mhz。頂層主要包括兩個模塊，ipsl_hmemc_top和ddr_wr_ctrl，ddr_wr_ctrl使用DDRIP輸出的100Mhz時鐘ui_clk作為時鐘。通過狀態機，首先對整個DDR空間進行寫入測試，然后再讀出整個空間進行比對，寫入的數據為遞增的數據。對整個寫入和讀出過程進行計時，計時精度1us。

圖5.DDR讀寫測試工程RTL視圖

計時值的讀出是通過debug_core讀出的，這樣可以不使用其他通信接口而簡化設計。這里需要注意如果計時值在頂層沒有輸出連接的話，會被綜合器優化掉，在添加調試信號的時候會搜索不到這個網絡。這里有兩種方法可以避免未連接的端口被優化掉：一種是使用Synplify的綜合Directive如“Syn_keep”、“ syn_preserve”告訴綜合器不要優化；另外一種是直接將計數值通過組合邏輯連接到IO上。這里使用第二種方法，通過組合邏輯連接到LED上。計數值直接通過debug_core讀出，測試的開始觸發是通過檢測按鍵的邊沿。

// LED active low

assign led = {clk_led, pll_lock&ddrphy_rst_done&ddr_init_done,(|test_time), err_flag};

DDR工作在800Mhz，物理位寬16bit，理論物理帶寬為800Mhz*16bit = 12.8Gbps；

AXI總線頻率100Mhz，總線位寬128bit，理論帶寬為100Mhz*128bit = 12.8Gbps；

二者帶寬是匹配的，即通過AXI總線可以測出DDR的最大帶寬。

ddr_band_width = 128MB / test_time

在操作DDR控制器AXI接口的時候有幾個地方一定要注意，特別是對AXI4協議不太熟悉的朋友。axi_awsize指的是AXI的總線的有效位寬，這里需要和總線的實際進行區別，比如128bit的總線是可以傳輸64bit/32bit/16bit/8bit的數據，稱為Narrow Burst。所以axi_awsize才決定了實際傳輸有效數據的位寬，這里設為4，即2^4=16Byte。axi_awburst指定了地址的增長模式，這里設為2’b01，即地址遞增。

assign axi_awid = 4'h0 ;

assign axi_awlen = 8'hFF ;

assign axi_awsize = 3'b100; // 128b = 16B = 2^4

assign axi_awburst = 2'b01 ; // incremental burst

通過布局布線的結果，我們可以很直觀的看到，使用硬核資源，只占用了非常少的邏輯資源。

圖6.HMEMC布局布線結果