”XUPV5-LX110T Development SystemでMIGを試す３（ISimでシミュレーション）”の続き。
前回、DDR2 SDRAMのテストベンチにdefineして、ISimでのシミュレーションがうまくいった。今回は、Virtex-5のユーザー回路とのインターフェースについて探ってみたい。

XUPV5-LX110Tの使用しているDDR2 SDRAMだが、SO-DIMMを使用している。Micron社製でMT4HTF3264HY-256MB（PDF)だ。DDR2 SDRAMチップはMT47H32M16(PDF)が使われているようだ。このDDR2 SDRAMチップは16ビット幅なので、Rowアドレス13ビット、Columnアドレス10ビット、Bankアドレス2ビットの計25ビットのアドレスを持っている。
Memory Interface Solutions UserGuideの380ページのTable 9-8: DDR2 SDRAM Controller User Interface Signalsのapp_af_adr[30:0]に説明があるが、Virtex-5のMIGのユーザー回路から与えるアドレスの割り当ては、Bank + Row + Column addressとなっている。至極まっとうな割り当てだと思うが、マルチバンク対応のコントローラをCPUで使用する場合には、データの局所性という観点からRow + Bank + Column の方が良いかもしれない。add_af_addrは31ビット幅あるが、今回のアドレス幅は25ビットである。

Memory Interface Solutions UserGuideの372ページのFigure 9-7: DDR2 Memory Controller Block Diagram を下に引用する。



DDR2 SDRAMコントローラの入出力信号はSystem Clocks and Reset, User Application, Memory Deviceの信号に分けられる。そのうちのUser Applicationの信号について見ていこう。

Virtex-5用MIGで生成されたDDR2 SDRAMコントローラのユーザー・インターフェース信号について下に記す。（）内はそれぞれDDR2 SDRAMコントローラに対しての入力、出力を表す。

app_af_cmd[2:0]：（入力）　3ビットのコマンド。000がWriteコマンド、001がReadコマンド。それ以外は不正値。
app_af_addr[30:0]：（入力）　31ビットのアドレス。今回は25ビット幅、26ビット目はChip Select。アドレスの割当はBank + Row + Column address。
app_af_wren：（入力）　User Address FIFOへのWrite enable。これが1の時は、app_af_cmdとapp_af_addrが有効。
aff_wdf_data[2*DQ_WIDTH-1:0]：（入力）　User Input Data。DDR2 SDRAMのデータ幅の2倍のデータ幅がある。クロックの立ち上がりのデータが下位、クロックの立ち下がりのデータが上位。128ビット幅。
app_wdf_mask_data[2*DM_WIDTH–1:0]：（入力）　User Data Mask。DDR2 SDRAMのマスク幅の2倍の幅がある。 クロックの立ち上がりのマスクが下位、クロックの立ち下がりのマスクが上位。16ビット幅。
app_wdf_wren：（入力）　User Write FIFOのWrite enable。これが1の時は、aff_wdf_dataとapp_wdf_mask_dataが有効。
app_af_afull：（出力）　Address FIFOのAlmost Full。残り12以下の時に1になる。
app_wdf_afull：（出力）　User Write FIFOのAlmost Full。残り12以下の時に1になる。
rd_data_valid：（出力）　rd_data_fifo_outのデータが有効であることを示す。
rd_data_fifo_out[2*DQ_WIDTH–1:0]：（出力）　メモリからReadしたデータ。128ビット幅。
phy_init_done：（出力）　DDR2 SDRAMコントローラの初期化とキャリブレーションが終了した。
clk0_tb：（出力）　ユーザー回路へのclk0出力

Write, Read両方とも、前のトランザクションとRow + Bankアドレスが違っていたら自動的にプリチャージして、Activateコマンドを発行してくれるようだ。

・Write
Memory Interface Solutions UserGuideの384ページのFigure 9-12: DDR2 SDRAM Write Burst for Four Bursts (BL = 4)を下に引用する。



Address FIFOは1024深度、User Write FIFOは512深度あるようだ。
Writeはアドレス(app_af_addr) とコマンド(app_af_cmd)を決めて、app_af_wrenを1にしてAddress FIFOに書きこむと同時に、app_wdf_wrenを1にして、D1,D0をデータ(app_wdf_data)、M1,M0をマスク(app_mask_data) に書きこむ。次のクロックでは、app_af_wrenは0に戻して、データのみを書き込む。これで4バーストモードの1つのWriteができるようになる。コマンドはWrirte(000)。

実際にシミュレーションでデータをWirteしている部分を下に示す。



データをUser Write FIFOに書き始めてから、実際にDDR2 SDRAMのWriteアクセスが実行されるまでに116.25ns/3.75ns = 31クロックかかっている。4バーストWrite8個分のトランザクションが始まって、DDR2 SDRAMにWriteし終わる間のクロックは約71クロック。なお、最初の4バーストWrite4個分のバーストできたが、後の4バーストWrite4個分のバーストと2つに分けられている。これは、Rowアドレスが異なるからである。

・Read
Memory Interface Solutions UserGuideの386ページのFigure 9-14:　DDR2 SDRAM Read Burst (BL = 4) for Four Bursts　を下に引用する。



Readの場合は、app_af_wrenを1にして、アドレス(app_af_addr) とコマンド(app_af_cmd)を決めてAddress FIFOに必要な分だけ書きこむ。DDR2 SDRAMコントローラがDDR2 SDRAMからReadしたデータは、rd_data_fifo_outにrd_data_validが1の時に出力される。

実際にシミュレーションでReadしている例を下に示す。



これは、ユーザー回路からReadコマンドが発行されてから、実際にDDR2 SDRAMにReadコマンドが発行されるまでは、255.1ns / 3.75ns ≒　68クロックである。これは、Writeの実行を待っているために遅くなってしまった。FIFOの深度が大きいと最大のレイテンシが大きくなるので注意が必要だと思う。
ユーザー回路からReadコマンドが発行されてから、最後のReadデータが到着するまでのクロック数は85クロックだった。

あまりFIFOに入れすぎると、後で入れたコマンド処理のレイテンシが増大してしまうかもしれないので、もし、それが懸念される用途に使用する場合は注意が必要だと思う。

”Spartan-3A Starter KitでMIGを使用する７（論理シミュレーション１）”でMIGのuser desginのシミュレーションができた。今回はユーザー回路からどのようにMIGが制御されているかを見ていく。Memory Interface Solutions UserGuide参照。

DDR2 SDRAMの初期化のシミュレーション波形を下に示す。



200us 待ってから、Burst Length=4, CAS Latncy=3, ODT Rtt = Disabled, DQS_N Enable = Enabledに設定している。シミュレーション時の初期化時のログを下に示す。

268252100.0 ps INFO: Precharge All
268372100.0 ps INFO: Load Mode 2
268372100.0 ps INFO: Load Mode 2 High Temperature Self Refresh rate = 1X (0C-85C)
268492100.0 ps INFO: Load Mode 3
268612100.0 ps INFO: Load Mode 1
268612100.0 ps INFO: Load Mode 1 DLL Enable = Enabled
268612100.0 ps INFO: Load Mode 1 Output Drive Strength = Full
268612100.0 ps INFO: Load Mode 1 ODT Rtt = Disabled
268612100.0 ps INFO: Load Mode 1 Additive Latency = 0
268612100.0 ps INFO: Load Mode 1 OCD Program = OCD Exit
268612100.0 ps INFO: Load Mode 1 DQS_N Enable = Enabled
268612100.0 ps INFO: Load Mode 1 RDQS Enable = Disabled
268612100.0 ps INFO: Load Mode 1 Output Enable = Enabled
268732100.0 ps INFO: Load Mode 0
268732100.0 ps INFO: Load Mode 0 Burst Length = 4
268732100.0 ps INFO: Load Mode 0 Burst Order = Sequential
268732100.0 ps INFO: Load Mode 0 CAS Latency = 3
268732100.0 ps INFO: Load Mode 0 Test Mode = Normal
268732100.0 ps INFO: Load Mode 0 DLL Reset = Reset DLL
268732100.0 ps INFO: Load Mode 0 Write Recovery = 3
268732100.0 ps INFO: Load Mode 0 Power Down Mode = Fast Exit
268852100.0 ps INFO: Precharge All
268972100.0 ps INFO: Refresh
269092100.0 ps INFO: Refresh
269212100.0 ps INFO: Load Mode 0
269212100.0 ps INFO: Load Mode 0 Burst Length = 4
269212100.0 ps INFO: Load Mode 0 Burst Order = Sequential
269212100.0 ps INFO: Load Mode 0 CAS Latency = 3
269212100.0 ps INFO: Load Mode 0 Test Mode = Normal
269212100.0 ps INFO: Load Mode 0 DLL Reset = Normal
269212100.0 ps INFO: Load Mode 0 Write Recovery = 3
269212100.0 ps INFO: Load Mode 0 Power Down Mode = Fast Exit
269332100.0 ps INFO: Load Mode 1
269332100.0 ps INFO: Load Mode 1 DLL Enable = Enabled
269332100.0 ps INFO: Load Mode 1 Output Drive Strength = Full
269332100.0 ps INFO: Load Mode 1 ODT Rtt = Disabled
269332100.0 ps INFO: Load Mode 1 Additive Latency = 0
269332100.0 ps INFO: Load Mode 1 OCD Program = OCD Default
269332100.0 ps INFO: Load Mode 1 DQS_N Enable = Enabled
269332100.0 ps INFO: Load Mode 1 RDQS Enable = Disabled
269332100.0 ps INFO: Load Mode 1 Output Enable = Enabled
269452100.0 ps INFO: Load Mode 1
269452100.0 ps INFO: Load Mode 1 DLL Enable = Enabled
269452100.0 ps INFO: Load Mode 1 Output Drive Strength = Full
269452100.0 ps INFO: Load Mode 1 ODT Rtt = Disabled
269452100.0 ps INFO: Load Mode 1 Additive Latency = 0
269452100.0 ps INFO: Load Mode 1 OCD Program = OCD Exit
269452100.0 ps INFO: Load Mode 1 DQS_N Enable = Enabled
269452100.0 ps INFO: Load Mode 1 RDQS Enable = Disabled
269452100.0 ps INFO: Load Mode 1 Output Enable = Enabled
269452100.0 ps INFO: Initialization Sequence is complete

次にユーザー回路とのインターフェース信号を見ていく。
Spartan-3A用のMIGのデータ入力(user_input_data) は90度位相のずれたクロック(clk90_int) に同期している必要がある。その他の信号は、0度のクロック(clk_int) の立ち下がりに同期させる必要がある。また、DDR2 SDRAMからReadしたデータ(usr_output_data) や有効信号(usr_data_valid) は0度のクロック(clk_int) の立ち上がりに同期している。
Virtex-5のMIGよりユーザーインターフェースを作るのが面倒だ。コマンド入力用FIFOが付いていない感じだ。MIGのユーザーインターフェースの上にFIFOを使ったラッパーを作ったほうが良いかもしれない。

Spartan-3A用のMIGのユーザー・インターフェース信号について簡単に説明する。

clk0：位相0度のクロック
clk90：位相90度のクロック
user_command_register：Write Request(100) やRead Request(110)、NOP(000) などのコマンド。Initialize memory(010)。(clk0の立ち下がりに同期）
user_cmd_ack：MIGからコマンドをうけとれるという返事。リフレッシュなどの用事があってコマンドを受け取れない場合はアサートされない。(clk0の立ち下がりに同期）
user_input_address：アドレス入力。使いにくいことにROW+COLUMN+BANKの順番になっているので、まともに使用するためには、COLUMNとBANKのアドレスを入れ替える必要がありそう。（clk0の立ち下がりに同期）
burst_done：バーストの終了時に4バーストモードは2クロック間、8バーストモードは4クロック間アサートする。（clk0の立ち下がりに同期）
user_input_data：clk90に同期してデータを出力する(Writeのみ)。（clk90の立ち上がりに同期）
user_data_valid：user_output_dataが有効。(Readのみ)（clk90の立ち上がりに同期）
user_output_data：Readしたデータ。(Readのみ)（clk90の立ち上がりに同期）

Memory Interface Solutions UserGuideの332ページのFigure 8-10: DDR2 SDRAM Write Burst, Burst Lengths of Four and Two Burstsを下に引用する。



上の図はSpartan-3A用MIGのWriteの例だ。

１．clk0の立ち下がりに同期して、ユーザー回路はWriteコマンドを発行し始める。
２．最低1クロック後にMIGは、clk0の立ち下がりに同期してuser_cmd_ackをアサートし、Writeコマンドを受け付けたことをユーザー回路に知らせる。ただし、リフレッシュ動作中でuser_cmd_ackのアサートが遅れることもある。
３．user_cmd_ackがアサートされた後のclk90の立ち上がりに同期して、ユーザー回路はuser_input_dataにWriteするデータを入力する。user_input_dataはDDR2 SDRAMのデータ幅の2倍幅となっている。4バーストモードならば、2つのデータを入力する必要がある。
４．ユーザー回路が入力するアドレス(row+column+bank address)は、user_cmd_ackがアサートされた後の3クロック間維持する。その後のバーストアドレスは2クロック維持する。（clk0の立ち下がりに同期)
５．write burstを終了させるときに、ユーザー回路はburst_doneをアサートしてMIGに知らせる。4バーストモードの時は2クロック間アサートする。
６．burst_doneのアサート後にWriteコマンドをデアサートする。（NOPコマンドに変更）
７．プリチャージをした後に、MIGはuser_cmd_ackをデアサートする。user_cmd_ackをデアサートされたら、ユーザー回路は次のコマンドを入力することができる。

実際にシミュレーションでデータをWirteしている部分を下に示す。



4バーストモードで2組のデータをWriteすると、25クロックほどかかる。


次に、Memory Interface Solutions UserGuideの333ページのFigure 8-11: DDR2 SDRAM Read, Burst Lengths of Four and Two Burstsを下に引用する。



上の図はSpartan-3A用MIGのReadの例だ。

１．clk0の立ち下がりに同期して、ユーザー回路はReadコマンドを発行し始める。
２．最低1クロック後にMIGは、clk0の立ち下がりに同期してuser_cmd_ackをアサートし、Readコマンドを受け付けたことをユーザー回路に知らせる。ただし、リフレッシュ動作中でuser_cmd_ackのアサートが遅れることもある。
３．ユーザー回路が入力するアドレス(row+column+bank address)は、user_cmd_ackがアサートされた後の3クロック間維持する。その後のバーストアドレスは2クロック維持する。（clk0の立ち下がりに同期)
４．user_output_dataが有効なのは、user_data_validがアサートされた時である。
５．DDR2 SDRAMのReadしたデータがuser_output_dataに出力される。user_output_dataはDDR2 SDRAMのバス幅の2倍の幅がある。DDR2 SDRAMは1クロックで2つのデータを読み書きするが、その2つのデータがuser_output_dataにSDR1クロックで出力される。4バーストモードでは、2つのデータがclk90の立ち上がりに同期して出力される。
６．read burstを終了させるときに、ユーザー回路はburst_doneをアサートしてMIGに知らせる。4バーストモードの時は2クロック間アサートする。
７．burst_doneのアサート後にReadコマンドをデアサートする。（NOPコマンドに変更）
８．プリチャージをした後に、MIGはuser_cmd_ackをデアサートする。user_cmd_ackをデアサートされたら、ユーザー回路は次のコマンドを入力することができる。大体、Readコマンドを発行してからデータが来るまで17クロックかかるようだ。

実際にシミュレーションでReadしている例を下に示す。



4バーストモードで2組のデータをReadすると、データが到着し終わるまでに26.75クロックかかる。

Spartan-3AのMIGで困ったことは、user_input_addressのアドレス割り当てがrow+column+bank addressなことだ。COLUMNアドレスとBANKアドレスを入れ替えないと使いにくい。

”Spartan-3A Starter KitでMIGを使用する６（MIGのインプリメント状況）”でMIGをインプリメントの状況を見た。
今回は論理シミュレーションを行う。

右のProject Managerをクリックして、Behavioral Simulationを表示させる。下の図は表示させた状態。



FileメニューからAdd Sources...を選択すると、Add Sourcesダイアログが開く。Add or Simulation Sourcesラジオボタンをクリックする。



Add or Simulation Sourcesダイアログが開く。Add Files...ボタンをクリックする。



example_design\simに移動して、そこのVerilogファイルをすべて選択して、OKボタンをクリックする。



Add or Simulation Sourcesダイアログに選択したVerilogファイルがリストされる。Next>ボタンをクリックする。



Add Sources Summaryダイアログが表示された。Finishボタンをクリックする。



PlanAheadのProject ManagerのSourcesウインドウにSimulation-Only Sourcesが追加されている。


Project Managerの中のBehavioral Simulationをクリックする。



Launch Behavioral Simulation ダイアログが開く。Simulation Top Module Nameを入力する。Simulation Top Module Nameの脇の…ボタンをクリックする。


するとトップモジュールを検索して、候補が出てくる。sim_tb_topを選択して、OKボタンをクリックする。


Launch Behavioral SimulationダイアログのSimulation Top Module Nameにsim_tb_topが表示された。Launchボタンをクリックするとシミュレーションが始まるが、Options...ボタンをクリックして、オプション設定を見てみよう。


Simulation Optionsダイアログが開く。Launch OptionsとLanguage Optionsがある。Language Optionsは”PlanAhead13.1を試してみた１（インプリメント、シミュレーション）”でdefine値を指定するのに使用したので、Launch Optionsを見てみよう。Project Navigatorのシミュレーションのプロバティと同様な設定項目がある。このままだと1000ns シミュレーションを行う。今回はデフォルトとするので、OKボタンをクリックする。



Launch Behavioral Simulationダイアログに戻る。Launchボタンをクリックするとコンパイルが始まり、ISimが起動する。



300us間シミュレーションを行うと、270380100.0 psで、ERROR: Activate Failure. Initialization sequence is not complete.で止まってしまった。これは、”XUPV5-LX110T Development SystemでMIGを試す３（ISimでシミュレーション）”で遭遇したのと同じエラーだ。DDR2 SDRAMモデルにdefine値を与える必要がある。



example_design\simフォルダのddr2_model_parameters.vhの最初に下の記述を追加した。

`define x512Mb
`define sg3
`define x16

修正後にISimのRe-Launchボタンをクリックする。コンパイルが始まって終了する。
Consoleウインドウで、

restart; run 300us

とコマンドを入力して、300us 間シミュレーションを行う。



今度は、エラー無く300us 間のシミュレーションが完了した。下の図はDDR2 SDRAMの初期化部分を拡大した。