AMD FPGA搭配ISSI DDR4设计指南

作者:James Shen,来源:FPGA FAE技术分享选集

AMD FPGA MIG IP介绍

MIG IP(Memory Interface Generator,存储器接口生成器)是AMD公司为其FPGA产品开发的一款专用IP核,主要用于简化FPGA与外部高速存储器之间接口的设计与实现。

AMD FPGA MIG IP作用:

MIG IP作用是自动生成符合存储器规范的接口逻辑,帮助开发者快速构建稳定\高性能的存储器连接,而无需深入理解存储器底层的时序细节。

AMD FPGA MIG IP特点:

1.支持多种存储器类型:如DDR3/DDR3L、DDR4、LPDDR4/5 (取决于FPGA系列)。

2.集成多层接口逻辑:生成的IP包含物理层、控制器和用户接口(AXI4或Native),形成完整的“FPGA -存储器”通信链路。

3.自动化适配与校准:内置板级校准逻辑,可自动补偿PCB布线、温度、电压变化带来的时序偏差,提升接口稳定性。

4.与AMDFPGA深度兼容:针对28nm、20nm、16nm、7nm工艺的Xilinx主流FPGA系列,能充分发挥DDR器件的高带宽性能。

AMD FPGA MIG IP当前的挑战:

1.在存储类型中,大部分FPGA系列暂时不支持LPDDR4.在Spartan UltraScale Plus\Versal会支持LPDDR4/DDR5。

2.在当前的MIG IP的Memory Part一栏中,大部分可选的器件是Micron的系列,其它品牌系列不在可选范围内。

3.不同厂商发布DDR4的通知对开发者器件选型产生影响:

    镁光:针对特定领域的产品生命周期终止

    三星:减少生产规模

    海力士:彻底停止

4.开发者选择不在MIG IP列表中的Memory Part,极大地增加了开发的难度。

本文从两方面探讨选用AMD FPGA搭配ISSI DDR的设计流程:

一、软件层面:MIG IP配置流程详细讲解:

MIG IP使用流程如下:

1.搭建项目:

a.确定目标FPGA型号、外部存储器型号 。

b.准备FPGA开发板(或自定义PCB)的引脚约束文件(.xdc)。

2.创建Vivado工程

打开Vivado,点击"Create Project",选择型号、工程路径。

3.添加MIG IP核

a.在Vivado工程界面左侧"Flow Navigator"中,点击"IP Catalog"。

b.在"Memory Interface Generator"找到MIG。

c.双击MIG IP,进入参数配置界面。

4.MIG IP核心参数配置(关键步骤)

"Basic"标签页

a.Memory Part:选择存储器型号,设置正确的参数。

b.Controller Type:选择控制器类型(AXI4适合与处理器核"如Zynq"配合,Native为直接接口)。

c.Reference Clock Frequency:设置参考时钟频率等。

5."Pin Assignment"标签页

a.Bank Selection:选择存储器接口所在的FPGA Bank(需与硬件PCB设计一致,注意Bank电压与存储器VDDQ匹配)。

b.Pin Out:配置引脚分配方式:

c.若使用开发板,可选择"Board Part"并加载开发板文件,自动分配引脚。

d.自定义设计:点击"Import"导入引脚约束文件(.xdc),或手动指定地址线(A [0..n])、数据线(DQ [0..n])、差分时钟(CK/CK#)、控制信号(CKE、CS#、WE#等)的引脚。

"Timing"标签页

a.自动加载所选存储器的时序参数(如tCK、tWR、tRCD等),若为自定义存储器,需手动输入数据手册中的时序值。

b.可调整"Margin"时序余量,提高稳定性(默认值通常足够,极端场景可微调)。

"Advanced"标签页(可选)

a.Calibration:启用自动校准(默认开启,用于补偿板级延迟和温度漂移)。

b.ECC:若存储器支持ECC,可启用(需芯片支持)。

c.Debug Signals:勾选"Enable Debug"可生成调试信号(用于板级调试,会增加资源消耗)。

5.生成MIG IP核

a.配置完成后,会自动验证参数合法性。

b.验证通过后,生成IP核的网表、例化模板和约束文件。

6.例化MIG IP到用户设计

a.生成完成后,在"Sources"窗口中找到MIG IP的例化模板(通常路径:ip_name/example_design/ip_name.veo)。

b.复制模板代码到用户顶层模块,根据接口类型(AXI4/Native)连接用户逻辑:AXI4接口用于连接AXI4主机(如Zynq的HP接口),通过AXI4协议读写存储器。Native接口用于直接连接用户逻辑,通过app_addr地址、app_wdf_data写数据、app_en使能等信号控制读写。

7.约束文件处理

a.MIG会自动生成存储器接口的时序约束,包含时钟约束、引脚约束等。

b.将生成的约束文件添加到工程,并与用户自定义约束合并。

8.综合与实现

a.点击"Run Synthesis"进行综合,检查是否有逻辑错误。

b.综合通过后,点击"Run Implementation"生成比特流。

注意事项及应对策略:

1.在上面流程中的第四步的Memory Part选择中,由于ISSI器件不在官方推荐的的列表中,故下面表格中的参数都需要开发者自行设置:

1.png

2.这些参数涉及到下面一系列信息,对此需要对照ISSI芯片手册,匹配正确参数: 

2.png

3.提供方便可靠的应对策略:

a.创建ISSI_DDR4.csv文件

b.用记事本或者Excel打开;

3.png

c.对照芯片手册,找到相关的参数,一一填写,建议选择Min值。

4.png

c.保存后,在MIG IP中勾选"Enable Custom Parts Data File"并导入,并重复上面的流程。

d.生成了Generate Bitstream后下载到板卡上,首先确认MIG能否正常完成初始化与校准,这是后续测试的前提,同时查看如下参数是否PASS,

5.png

d.根据验证的结果,对Fail的参数,找到对应的参数进行修正,直到每一项都PASS。

e.功能测试:

校准成功后,验证MIG的基本读写功能,确保数据传输无错误。

固定数据读写:向固定地址再读出比对,确保无错误。

地址递增读写:从地0依次写入,再连续读出,验证数据与地址的对应关系。

边界地址测试:访问存储器最大地址(如DDR4 1GB对应地址0x3FF_FFFF),验证是否正常读写。

读写冲突测试:同时发出读命令和写命令,验证MIG是否按优先级处理,且无数据错乱。

附带DDR调试常见的问题与排查方法:

6.png

二.硬件层面:ISSI DDR的PCB布局布线。

1.参考AMD官方的手册UG583之PCB Guidelines for Memory Interfaces。

2.为实现DDR最佳性能并尽量减少信号失真与串扰。

a.对于VDD/VTT/VPP/VREFCA等电源轨,增加去耦电容外加大电容。

b.去耦电容值(0.01/0.1/1uF),大电容值(4.7uF)。

c.去耦电容靠近电源,大限度地减少电感,大电容提供负载所需的高速瞬态电流。

3.走线长度和匹配规则:

a.时钟信号:

Match the true/complement signals within 0.5%(=+-0.25%) of the clock period or ±2ps.

Clocks should maintain a length-matching between clock pairs of ±5 ps.

b.地址线和控制线,在Byte组内的DQ/DQS/DM:

Route all addresses and commands to match the clock signals to within ±20 ps to each DDR4 component.

Match in length all DQ, DQS, and DM signals within a given byte-lane group with a maximum deviation of ±10 ps.

Match the true/complement DQS signals within 0.5%(=+-0.25%) of the clock period or ±2ps.

c.信号类型划分的阻抗分配:

同一字节组的信号,如DQS、DM和 DQ等,应在同一层布线。

如果需要进行层转换,尽量减少返回电流路径,降低电感和阻抗不连续性。

d.DDR4的阻抗设计:

40Ω±10%(通常通过0.15mm的走线宽度实现)。

DDR4的差分阻抗设计:

83Ω±15%(通常通过0.10mm的走线宽度和0.10mm的间距实现)。

70Ω±15%(通常通过0.15mm的走线宽度和0.10mm的间距实现)。

以上内容,从软件配置和硬件设计两方面探讨了AMD FPGA搭配ISSI DDR的设计流程,其中详细讲解了MIG IP的软件配置的流程,匹配ISSI的DDR4器件的方法,以及检验和测试的方法。

如果您了解更多关于MIG使用方面的疑问,欢迎联系:

simonyang@comtech.cn

charlesxu@comtech.cn