Xilinx MicroBlaze软核驱动DDR3

Xilinx MicroBlaze软核驱动DDR3

说明：通过Vivado生成MicroBlaze工程导入SDK实现DDR3的读写。
环境：Vivado2018.3。
IP核：MicroBlaze。
参考手册：
pg142： AXI UART Lite v2.0
ug586：7Series_MIS
工程：DDR3

文章目录

1.DDR简介

MT41K256M16xx-125：
内存大小为512MB，数据接口为16bit。
为什么是512MB：256M空间，数据线为16bit，1Byte=8bit，256M×16bit=512M×8bit=512MB。
下图为型号参数的具体解析：

1.1DDR3地址

DDR3的内部是一个存储阵列，将数据“填”进去，你可以它想象成一张表格。和表格的检索原理一样，先指定一个行（Row），再指定一个列（Column），我们就可以准确地找到所需要的单元格，这就是内存芯片寻址的基本原理。对于内存，这个单元格可称为存储单元,那么这个表格（存储阵列）就是逻辑 Bank（Logical Bank，下面简称Bank）。 DDR3内部Bank示意图，这是一个NXN的阵列，B代表Bank地址编号，C代表列地址编号，R代表行地址编号。在这里插入图片描述
以下列举了不同容量的DDR3地址：

注意以上单位为GBit。比如MT41K256M16TW-107容量为512MB=512×8Mbit=4096Mbit=4Gbit，就要看表2.11.4 4Gb中的256M×16。

2. MicroBlaze简介

MicroBlaze嵌入式软核是一个被Xilinx公司优化过的可以嵌入在FPGA中的RISC处理器软核，具有运行速度快、占用资源少、可配置强等优点，和其他外设IP核一起，可以完成可编程系统芯片(SOPC)的设计。
FPGA是可编程的硬件逻辑电路，MicroBlaze是一种处理器电路，使用MicroBlaze就相当于在FPGA内部做了一个CPU在里面，可以用C语言编写程序，在这个CPU上跑C语言的软件程序，FPGA偏向逻辑，做控制比较麻烦，CPU做控制比较方便。

3.MicroBlaze设计流程

新建Vivado工程…

3.2 DDR Block Design 流程

在这里插入图片描述
添加MicroBlaze IP：

Run Block Automation：

添加串口IP：

添加MIG IP(DDR控制IP)：

MIG介绍：详细请看FPGA_MIG驱动DDR3
如下图所示：FPGA用户逻辑↔MIG↔DDR3的端口连接示意图(可以理解MIG作为中间介质让我们间接的控制了DDR，简化了控制接口)：
在这里插入图片描述
配置MIG IP：双击mig_7series
Next:

根据自己板子型号选择：

DDR类型：

时钟配置说明：
1.Clock Period

即MIG对DDR接口的速率为800M*2=1600M(双沿)。
MIG输出到app接口上的时钟ui_clk为800M/4=200M。
UI时钟频率ui_clk为DDR时钟频率的1/4，也就是一个用户时钟周期(两个边沿)对应8个DDR时钟边沿。burst length可以理解为MIG连续操作DDR地址的个数，故在4:1时钟比例下，一个用户时钟周期正好对8个地址进行了读/写操作，256bit数据分8次（32bit）写入DDR中，即逻辑用户以时钟ui_clk写256bit数据至MIG，MIG控制器将以时钟ddr_clk向DDR写8次(32bit(数据位宽配置为32bit))数据。由此分析，在写数据时让app_wdf_end = app_wdf_wren即可，并且读/写操作时地址递增步长为8。
在这里插入图片描述
2.Input Clock Period
输入给MIG的时钟为200M。

根据自己的DDR以及FPGAA性能选择工作时钟、位宽、型号：
在这里插入图片描述

①：工作时钟为什么选择400MHz
我所选FPGA部件和FPGA速度等级据定了允许该时钟的周期范围（1875-3300ps）
在这里插入图片描述

所以支持的频率为303.03-533.33MHz，在中间选择了400Mhz。即MIG对DDR接口的数据速率为400M×2=800M(双沿)。
②：UI时钟频率ui_clk为DDR时钟频率的1/4。
③：根据自己DDR型号

④数据位宽：用了一片MK41K256M16，数据位宽为16bit。
输入给MIG的时钟：在这里插入图片描述
选择所需的时钟配置：

内部终端阻抗：

管脚分配：输入或者直接导入XDC、UCK文件

…一直到Generate

执行Run Connection Automation

全貌：

対生成的网络做以下修改：
1、时钟
根据自己的板子，选择输入时钟大小和时钟方式，单端还是差分
在这里插入图片描述
PLL分别输出100MHz和200MHz的时钟、去除reset和locked信号：

删除多余端口、并将clk_in1引出：

2、复位
去除复位引脚，引入常量IP constant

因为是低电平复位，常量IP设置值为1

3、串口波特率
双击axi_uartlite，更改波特率：
在这里插入图片描述
4、配置DDR时钟
sys_clk、clk_ref说明如下，clk_ref输入时钟设置为200MHz

PLL clk_out2输出为200MHz连接至migG clk_ref

5、引出DDR3端口

进行设计验证

观察地址映射：

全貌：

Generate Block Design：
在这里插入图片描述

进行管脚约束：
DDR在IP里已经约束完成，在这里也可以看到DDR的约束

生成bit流

Export Hardware：要包含.bit文件

Lanuch SDK：

4.SDK工程

新建一个hello word 工程
在这里插入图片描述
在.hdf文件中查看DDR3的地址范围位为0x8000_0000-0x9FFF_FFFF
寻址空间为1FFF_FFFF即536870912Byte=512MB。

将数据0-99写入DDR，并读出0-9、20、50。
介入以下测试代码：

#include <stdio.h>
#include "platform.h"
#include "xparameters.h"
#include "xil_printf.h"

int main()
{
    
    
	int i;
	u32 DDR_BUFF[10];
	u32 DDR_Val[3];
    init_platform();

    u32 *DDR_ADDR;
    DDR_ADDR = (u32 *)0x80000000;
    for(i=0;i<100;i++)
    {
    
    
    	*(DDR_ADDR+i) = i;
    }
    for(i=0;i<10;i++)
    {
    
    
    	DDR_BUFF[i] = *(DDR_ADDR+i);
    }

    DDR_Val[0] = *(DDR_ADDR+20);
    DDR_Val[1] = *(DDR_ADDR+50);
    DDR_Val[2] = *(DDR_ADDR+90);
    print("Finshed\n\r");
    cleanup_platform();
    return 0;
}

调试：先进行调试设置
在这里插入图片描述

结果：

更改地址：

#include <stdio.h>
#include "platform.h"
#include "xparameters.h"
#include "xil_printf.h"

int main()
{
    
    
	u32 i;
	u32 DDR_BUFF[10];
	u32 DDR_Val[3];
    init_platform();

    u32 *DDR_ADDR;
    DDR_ADDR = (u32 *)0x81000000;
    for(i=0;i<1000;i++)
    {
    
    
    	*(DDR_ADDR+i) = i;
    }
    for(i=0;i<10;i++)
    {
    
    
    	DDR_BUFF[i] = *(DDR_ADDR+i);
    }

    DDR_Val[0] = *(DDR_ADDR+200);
    DDR_Val[1] = *(DDR_ADDR+500);
    DDR_Val[2] = *(DDR_ADDR+999);
    print("Finshed\n\r");

    cleanup_platform();
    return 0;
}

在这里插入图片描述

注意：将DDR配置为内存时，系统内存区域就会映射到了DDR中，用的时候注意跳开此区域：
在这里插入图片描述

5.SDK DDR用指令分别访问 DDR、BRAM速度

DDR3的频率配置的为200MHz、Mircroblaze时钟为100MHz。

以下时间仅仅是通过for循环对DDR和BRAM读写做了个时间对比，不要理解为DDR就这么慢…
利用for循环测试DDR3读写10000个数据：

#include <stdio.h>
#include "platform.h"
#include "xil_printf.h"
#include "xparameters.h"
#include "xgpio.h"

u32 DDR_BUFF[10000];
int main()
{
    
    
	u32 i;
	u32 j;
    init_platform();

    u32 *DDR_ADDR;
    u32 *LED_ADDR;
    DDR_ADDR = (u32 *)0x81000000;
    LED_ADDR = (u32 *)0x40000000;
    *LED_ADDR = 0x03;

    *LED_ADDR = 0x00;

		for(i=0;i<10000;i++)
		{
    
    
			*(DDR_ADDR+i) = i;
		}
		for(i=0;i<10000;i++)
		{
    
    
			DDR_BUFF[i] = *(DDR_ADDR+i) ;
		}
    *LED_ADDR = 0x03;

    cleanup_platform();
    return 0;
}

所需时间（低电平持续时间）：8.1ms
在这里插入图片描述

利用for循环测试BRAM读写10000个数据：

#include <stdio.h>
#include "platform.h"
#include "xil_printf.h"
#include "xparameters.h"
#include "xgpio.h"

u32 BRAM_BUFF[10000];
int main()
{
    
    
	u32 i;
	u32 j;
    init_platform();

    u32 *DDR_ADDR;
    u32 *LED_ADDR;
    BRAM_ADDR = (u32 *)0x0000FFFF;
    LED_ADDR = (u32 *)0x40000000;
    *LED_ADDR = 0x03;

    *LED_ADDR = 0x00;

		for(i=0;i<10000;i++)
		{
    
    
			*(BRAM_ADDR -i) = i;
		}
		for(i=0;i<10000;i++)
		{
    
    
			BRAM_BUFF[i] = *(BRAM_ADDR -i) ;
		}
    *LED_ADDR = 0x03;

    cleanup_platform();
    return 0;
}

所需时间（低电平持续时间）：5.4ms
在这里插入图片描述

测试20000个空for循环需要的时间：

#include <stdio.h>
#include "platform.h"
#include "xil_printf.h"
#include "xparameters.h"
#include "xgpio.h"

u32 DDR_BUFF[10000];
int main()
{
    
    
	u32 i;
	u32 j;
    init_platform();

    u32 *DDR_ADDR;
    u32 *LED_ADDR;
    LED_ADDR = (u32 *)0x40000000;
    *LED_ADDR = 0x03;

    *LED_ADDR = 0x00;

		for(i=0;i<10000;i++)
		{
    
    
			
		}
		for(i=0;i<10000;i++)
		{
    
    
			
		}
    *LED_ADDR = 0x03;

    cleanup_platform();
    return 0;
}

所需时间（低电平持续时间）：2.4ms
在这里插入图片描述

★★★如有错误欢迎指导！！！