高速數(shù)據(jù)采集卡DDR控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王曉嬌，張治中

(重慶郵電大學(xué)通信網(wǎng)與測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

隨著網(wǎng)絡(luò)流量的日益龐大，鏈路帶寬的不斷提升，在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，對雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲器(Double Data Rate Synchronously Dynamic RAM，DDR SDRAM)［1］所提供的大容量緩沖技術(shù)也提出了挑戰(zhàn)。

現(xiàn)有技術(shù)中，DDR控制器對數(shù)據(jù)的封裝處理和讀寫控制方法難以很好地兼顧數(shù)據(jù)訪問的可靠性和有效性，且容錯(cuò)糾錯(cuò)能力較低、內(nèi)存管理復(fù)雜。本文研究并設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)型高性能DDR控制器，保證了數(shù)據(jù)存儲取的正確性、高效性和連續(xù)性，有效提高DDR存儲器的管理效率和內(nèi)存利用率。適用于多光口/電口的千兆線速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，提供高速大容量的緩沖能力，在網(wǎng)絡(luò)流量峰值時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)均衡，平滑處理，可顯著提高數(shù)據(jù)采集密度與速率。

1 DDR控制器工作原理

基于FPGA實(shí)現(xiàn)的DDR控制器通常主要包括前端主控模塊和后端用戶模塊。以目前主流的Virtex－5 FPGA器件參考設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為例，如圖1所示。

前端主控模塊由PHY控制器、主控制器和前端FIFO組成。PHY控制器完成DDR存儲器初始化狀態(tài)和讀數(shù)據(jù)采集時(shí)序校準(zhǔn)邏輯功能，主控制器實(shí)現(xiàn)DDR控制器狀態(tài)機(jī)和用于地址/命令/數(shù)據(jù)的FIFO邏輯，前端FIFO作為一種用戶接口，提供地址/命令、寫數(shù)據(jù)和讀數(shù)據(jù)3個(gè)FIFO。前2個(gè)FIFO由不同的用戶后端邏輯加載，而讀數(shù)據(jù)FIFO則由PHY控制器訪問，以將采集的數(shù)據(jù)存儲在每個(gè)讀周期上。通過用戶接口，可以發(fā)出命令，向DDR存儲器提供寫數(shù)據(jù)或者讀數(shù)據(jù)操作［1－3］。因此，在前端主控模塊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相對固定的情況下，后端用戶模塊以及與前端模塊對接方式的良好設(shè)計(jì)，對提升DDR控制器的整體性能具有重要作用。

圖1 DDR SDRAM存儲器控制器的參考設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

2 DDR控制器模塊設(shè)計(jì)

2.1 基于FPGA的模塊化設(shè)計(jì)

針對現(xiàn)有的DDR控制器對外部DDR 存儲器數(shù)據(jù)讀寫訪問所存在的不足，提出一種基于FPGA實(shí)現(xiàn)的模塊化設(shè)計(jì)，采用多數(shù)據(jù)包重組和轉(zhuǎn)義思想，以及讀寫控制方法，其模塊設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。DDR控制器主要包括:多凈荷包組裝模塊、寫轉(zhuǎn)義模塊、讀反向轉(zhuǎn)義模塊、多凈荷包解封裝模塊、讀寫控制邏輯以及存儲器接口邏輯。

圖2 DDR控制器模塊設(shè)計(jì)框圖

其中，多凈荷包組裝模塊將把從前一級處理模塊送入的多個(gè)凈荷數(shù)據(jù)包拼接為一個(gè)較大的數(shù)據(jù)包;寫轉(zhuǎn)義模塊完成對預(yù)寫入DDR存儲器數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)義處理;讀反向轉(zhuǎn)義模塊則實(shí)現(xiàn)對從DDR存儲器讀出的數(shù)據(jù)流進(jìn)行反向轉(zhuǎn)義，解析出正確的原始組裝凈荷包;多凈荷包解封裝模塊將提取出原始單個(gè)凈荷包;讀寫控制邏輯模塊負(fù)責(zé)對DDR存儲器的讀寫訪問進(jìn)行控制;存儲器接口邏輯模塊主要實(shí)現(xiàn)圖1中的前端主控功能，完成對外部DDR存儲器的讀寫訪問，并為應(yīng)用提供命令、讀、寫接口。

2.2 基本工作流程

DDR控制器存儲和讀取數(shù)據(jù)的基本流程如圖3所示。首先，對多個(gè)凈荷包進(jìn)行組裝并進(jìn)行寫轉(zhuǎn)義處理;然后，在處于寫操作時(shí)鐘周期時(shí)，將寫轉(zhuǎn)義處理后的數(shù)據(jù)寫入到DDR存儲器中。當(dāng)?shù)竭_(dá)讀操作時(shí)鐘周期時(shí)，從DDR存儲器中讀取數(shù)據(jù)，并對讀出的數(shù)據(jù)流進(jìn)行讀反向轉(zhuǎn)義和解封裝，恢復(fù)出原始單個(gè)凈荷包。

圖3 DDR控制器存儲和讀取數(shù)據(jù)基本流程示意圖

3 數(shù)據(jù)預(yù)處理與解析

3.1 多凈荷包的組裝

向DDR存儲器寫入數(shù)據(jù)前，對數(shù)據(jù)進(jìn)行兩級預(yù)處理。多凈荷包組裝是第一級數(shù)據(jù)預(yù)處理，該方法旨在有效減少短包對CPU的中斷次數(shù)，降低資源開銷，提高DDR控制器的處理效率。多凈荷包組裝模塊封裝的數(shù)據(jù)包格式如圖4所示。

圖4 多凈荷包組裝模塊封裝的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)示意圖

多凈荷包組裝過程:首先，將一個(gè)或一個(gè)以上原始數(shù)據(jù)凈荷包分別增加一個(gè)標(biāo)識有該包長度信息的數(shù)據(jù)包包頭后級聯(lián)在一起，并在第一個(gè)數(shù)據(jù)包包頭前標(biāo)識級聯(lián)在一起的數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù);然后，將級聯(lián)在一起的數(shù)據(jù)包組裝為一個(gè)復(fù)合數(shù)據(jù)包;在組裝的同時(shí)，在復(fù)合數(shù)據(jù)包的頭部加上64 bit特定的數(shù)據(jù)包起始標(biāo)識符(Start of Frame，SOF)，在數(shù)據(jù)包的尾部加上64 bit特定的數(shù)據(jù)包結(jié)束標(biāo)識符(End of Frame，EOF)。其中，SOF和EOF可以在解析讀出的數(shù)據(jù)流時(shí)，定位有效數(shù)據(jù)的起始位置與結(jié)束位置。

3.2 寫轉(zhuǎn)義的邏輯設(shè)計(jì)

寫轉(zhuǎn)義是第二級數(shù)據(jù)預(yù)處理，可避免在組裝后的原始數(shù)據(jù)包中出現(xiàn)與SOF、EOF以及轉(zhuǎn)義標(biāo)識符相同的有效數(shù)據(jù)，從而影響數(shù)據(jù)的正確解析。寫轉(zhuǎn)義變換的規(guī)則是對相應(yīng)的64 bit原始數(shù)據(jù)的最高位進(jìn)行反碼轉(zhuǎn)換，并在其起始位置加上64 bit特定的轉(zhuǎn)義標(biāo)識符。寫轉(zhuǎn)義變換的實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示，其對應(yīng)的寫轉(zhuǎn)義各狀態(tài)含義見表1(TM是Transferred Meaning的英文縮寫，表示轉(zhuǎn)義)。

圖5 寫轉(zhuǎn)義狀態(tài)機(jī)

表1 寫轉(zhuǎn)義狀態(tài)機(jī)各狀態(tài)說明

3.3 讀反向轉(zhuǎn)義的邏輯設(shè)計(jì)

讀反向轉(zhuǎn)義是寫轉(zhuǎn)義的逆過程，解析從DDR緩存所讀取的數(shù)據(jù)流。讀反向轉(zhuǎn)義變換的規(guī)則是:從有SOF、EOF和轉(zhuǎn)義標(biāo)識符的數(shù)據(jù)流中讀出并過濾掉SOF、EOF和轉(zhuǎn)義標(biāo)識符，同時(shí)將轉(zhuǎn)義標(biāo)識符后的64 bit數(shù)據(jù)的最高位進(jìn)行反碼轉(zhuǎn)換，以恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。讀反向轉(zhuǎn)義的實(shí)現(xiàn)流程如圖6所示，其對應(yīng)的轉(zhuǎn)義各狀態(tài)含義見表2(RTM是Reverse Transferred Meaning的英文縮寫)。

圖6 讀反向轉(zhuǎn)義狀態(tài)機(jī)

表2 讀反向轉(zhuǎn)義狀態(tài)機(jī)各狀態(tài)說明

4 讀寫控制邏輯設(shè)計(jì)

本方案中對DDR的讀寫控制主要有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，一個(gè)是64 bit和256 bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，另一個(gè)是讀寫均衡控制。前者的目的在于更有效地利用接口寬度和轉(zhuǎn)義數(shù)據(jù)的讀寫粒度，存儲、讀取和解析數(shù)據(jù)。后者則以平均、輪流占用時(shí)間片的方式實(shí)現(xiàn)讀、寫操作所占用時(shí)間的均勻分配。

4.1 存儲管理寄存器

在讀寫控制邏輯模塊定義3個(gè)256 bit位寬的存儲管理寄存器，分別用于寫地址計(jì)數(shù)、讀地址計(jì)數(shù)和存儲數(shù)量計(jì)數(shù)。3個(gè)寄存器的協(xié)同工作運(yùn)轉(zhuǎn)過程如圖7所示。

圖7 存儲管理寄存器協(xié)同工作運(yùn)轉(zhuǎn)過程示意圖

寫地址寄存器存放寫入數(shù)據(jù)的地址。在寫入1個(gè)256 bit的數(shù)據(jù)后，寄存器值加1，當(dāng)達(dá)到1 Gbit容量的DDR存儲器上限值時(shí)，寄存器值回到0。

讀地址寄存器存放讀取數(shù)據(jù)的地址。讀地址寄存器在讀出1個(gè)256 bit的數(shù)據(jù)后加1，當(dāng)達(dá)到1 Gbit容量的DDR存儲器上限值時(shí)，寄存器值回到0。

存儲數(shù)量寄存器存放DDR存儲器中當(dāng)前存儲的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。在寫入1個(gè)256 bit數(shù)據(jù)后加1，在讀出1個(gè)256 bit數(shù)據(jù)后減1。當(dāng)存儲數(shù)量寄存器等于DDR存儲器的容量大小時(shí)，表示存儲器已滿;當(dāng)存儲數(shù)量寄存器等于0時(shí)，表示DDR存儲器為空。

4.2 64 bit和256 bit的轉(zhuǎn)換

為了將寫轉(zhuǎn)義和讀反向轉(zhuǎn)義時(shí)，數(shù)據(jù)按64 bit粒度進(jìn)行變換和解析，為達(dá)到存儲器提供的256 bit讀寫接口的數(shù)據(jù)總線要求，在寫轉(zhuǎn)義后，對輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行64 bit—256 bit的轉(zhuǎn)換。而在讀反向轉(zhuǎn)義前，首先通過256 bit—64 bit FIFO將輸入256 bit寬度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為64 bit位寬，為下一步反向轉(zhuǎn)義做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

4.3 讀寫均衡控制

為實(shí)現(xiàn)對DDR總線的分時(shí)復(fù)用［4－5］，在讀寫控制模塊中定義一個(gè)讀寫計(jì)數(shù)器，完成讀寫均衡控制中的計(jì)數(shù)功能。在連續(xù)寫入固定量數(shù)據(jù)后，切換到讀狀態(tài);在連續(xù)讀出固定量數(shù)據(jù)后，又切換回寫入狀態(tài)，如此反復(fù)，可使讀寫吞吐量基本一致且足夠大。

經(jīng)仿真測試和計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)讀寫的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，如果每次讀寫數(shù)據(jù)為4 kbyte，讀、寫操作的總速率可達(dá)到18 Gbit/s，每個(gè)單向具有9 Gbit/s的速率。寫入數(shù)據(jù)時(shí)，如果連續(xù)寫入數(shù)量未達(dá)到4 kbyte，卻出現(xiàn)沒有數(shù)據(jù)輸入或DDR存儲器已滿時(shí)，將主動(dòng)切換到讀數(shù)據(jù)狀態(tài)。在讀數(shù)據(jù)時(shí)，在連續(xù)讀出數(shù)量未達(dá)到4 kbyte，卻出現(xiàn)DDR存儲器已空時(shí)，將切換到寫數(shù)據(jù)狀態(tài)。

5 仿真測試

為了驗(yàn)證方案中轉(zhuǎn)義處理的可靠性和有效性，圖8給出了寫轉(zhuǎn)義和讀反向轉(zhuǎn)義的FPGA仿真圖。圖8a中B_TM是寫轉(zhuǎn)義前的數(shù)據(jù)，A_TM是寫轉(zhuǎn)義后的數(shù)據(jù)，設(shè)置SOF標(biāo)識為64 bit特定數(shù)據(jù)0x7e1234567e123456，EOF標(biāo)識為64 bit特定數(shù)據(jù)0x7e12345d7e12345d，轉(zhuǎn)義標(biāo)識符為64 bit特定數(shù)據(jù)0x7e12345f7e12345f。從圖中，可以看出寫轉(zhuǎn)義前的數(shù)據(jù)為0x7e1234567e123456，0x7e12345f7e12345f，0x300000004，……，其中，SOF標(biāo)識后的第1個(gè)64 bit有效數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)義標(biāo)識符相同，于是對其進(jìn)行轉(zhuǎn)義變換為0x7e12345f7e12345f，0xfe12345f7e12345f，如圖 8b 所示，B_ITM是從DDR存儲器讀出數(shù)據(jù)后，讀反向轉(zhuǎn)義前的數(shù)據(jù)。圖8c中的A_ITM是讀反轉(zhuǎn)義后的數(shù)據(jù)，與原始數(shù)據(jù)一致。采用轉(zhuǎn)義的方法后，讀數(shù)據(jù)時(shí)的時(shí)延問題(發(fā)送讀命令后，期望的數(shù)據(jù)要在幾十個(gè)時(shí)鐘周期后出現(xiàn)在讀數(shù)據(jù)總線上)可以得到有效解決。

圖8 DDR控制器寫轉(zhuǎn)義與讀反向轉(zhuǎn)義仿真圖(截圖)

6 結(jié)束語

本文提出一種基于FPGA實(shí)現(xiàn)的DDR控制器設(shè)計(jì)方案，采用了多凈荷包組裝，轉(zhuǎn)義與反向轉(zhuǎn)義方法以及讀寫控制的流量均衡算法設(shè)計(jì)，改進(jìn)了數(shù)據(jù)封裝與解析方式以及讀寫控制方法。該DDR控制器統(tǒng)籌兼顧了數(shù)據(jù)讀寫的可靠性和有效性，有效提高了DDR存儲器的管理效率和內(nèi)存利用率。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用測試，該DDR控制器在千兆線速數(shù)據(jù)采集卡中已得到有效運(yùn)用，保證了高速大容量的數(shù)據(jù)緩沖功能，具有廣泛適用性和較高的應(yīng)用價(jià)值。

［1］DOUBLE DATA RATE(DDR)SDRAM Specification［EB/OL］.［2012－06－10］.http://download.csdn.net/detail/macrojiali/3069228.

［2］使用Virtex－5 FPGA器件實(shí)現(xiàn)DDR SDRAM控制器［EB/OL］.［2012－06－10］.http://www.docin.com/p －9751883.html.

［3］門亮，王立欣.基于FPGA的DDR SDRAM控制器在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電子產(chǎn)品世界，2007(C00):99－103.

［4］姚瑋，趙海慶，陳金樹.基于Stratix器件的高速DDR緩存系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.電視技術(shù)，2005，29(S1):69－72.

［5］ZHOU Zude，CHENG Songlin，LIU Quan.Application of DDR Controller for High－speed Data Acquisition Board［C］//Proc.Innovative Computing Information and Control，ICICIC ＇06.Beijing，China:［s.n.］，2006:611－614.