Altera® FPGA に DDR4 SDRAM メモリ・コントローラを実装して、Example Design を用いたシミュレーションや動作確認までの流れをやさしく解説することを目的としているため、詳細な説明は省略しています。このページでは Arria® 10 が実装されている Arria® 10 GX FPGA 開発キットをベースに説明しますが、DDR4 SDRAM コントローラをサポートしている他の FPGA でも、基本的なフローは同じです。
環境
- 開発ツール：Quartus® Prime 開発ソフトウェア v17.1（Pro Edition または Standard Edition）
- Pro Edition：有償ライセンス必要
- Standard Edition：有償ライセンス必要
- シミュレーション・ツール：ModelSim® FPGA Edition 10.5b (Quartus® Prime 17.1)
- ModelSim® FPGA Edition：有償ライセンス必要
- 開発キット：Arria® 10 GX FPGA 開発キット Macnica-Mouser 購入サイト
ツールのインストールは済んでいますか？
インストールが済んでいない方は、Altera® FPGA のサイト（ダウンロード）から入手できます。
手順
- DDR4 SDRAM インタフェースのサポート状況の確認
- DDR4 SDRAM コントローラ IP の設定
- ファンクション・シミュレーションの実行
- Example Design のコンパイル
- 実機動作確認
1. DDR4 SDRAM インタフェースのサポート状況の確認
DDR4 SDRAM インタフェースのサポート状況は、『Altera® FPGA に外部メモリ・コントローラを実装！』でも紹介している通り、外部メモリ・インタフェース・スペック・エスティメータ で確認することができます。
外部メモリ・インタフェース・スペック・エスティメータに条件を入れていきます。今回の検証で使用する Arria® 10 GX FPGA 開発キット に実装されている Arria® 10 （型番：10AX115S2F45I1SG）やメモリ、ボードの仕様など「検索条件と項目を決定」ボタンをクリックして、下記条件を入れてみます。
- ファミリ：Arria® 10 GX and GT
- 温度範囲 & スピード・グレード：インダストリアル温度範囲 (I)、-1
- インタフェースの種類：ハード
- メモリ規格：DDR4
- メモリ・トポロジー & ランク：コンポーネント、UDIMM
検索結果は、以下の通りとなりました。型番の後半部分の I1 が、温度範囲 & スピード・グレードを表しています。
この結果から、コンポーネント（メモリ・デバイス）であっても、チップ・セレクトが 1/2/4 でメモリ・インタフェースの最大周波数の上限が異なっていることがわかると思います。また、UDIMM (Unbuffered DIMM) でも、シングル・ランク/デュアル・ランクで最大周波数の上限が異なっています。
それでは、Quartus® Prime 開発ソフトウェアを使用して、実際にコントローラを生成してみましょう！
2. DDR4 SDRAM コントローラ IP の設定
Quartus® Prime を起動して、IP Catalog の検索バーに Arria 10 External... まで入力すると、Arria 10 External Memory Interfaces を容易に検索できます。（Quartus® Prime の Standard Edition はプロジェクトを開いていない状態でも作業できますが、Pro Edition はプロジェクトを開いていないと作業できません。）
図2-1 Arria 10 External Memory Interface を検索
Add をクリックすると、IP Parameter Editor が起動して、名称やターゲット・デバイスを入力する画面が開きます。ここでは以下のようにします。ターゲット・デバイスは、Arria® 10 GX FPGA 開発キットに実装されているデバイスです。
- Entity name: ddr4
- Save in folder: C:\Work\a10_ddr4_1710
- Family: Arria 10
- Device: 10AX115S2F45I1SG
図2-2 名称やターゲット・デバイスの登録
OK をクリックすると、IP Parameter Editor が表示されます。必要な設定をしていきましょう！
中央の Parameters は、各種必要な設定をしていくエリアとなっていて、右上の Details にはドキュメントへのリンクが貼られていたり、各設定項目の説明が書かれています。
図2-3 IP Parameter Editor
Presets には、あらかじめ代表的なメモリが登録されています。Arria® 10 GX FPGA 開発キットで動作確認するには、開発キットに同梱されている DDR4 ドータ・カード（Arria 10 GX FPGA Development Kit with DDR4 HILO）を使用するので、それを選択して Apply をクリックします。すると、大部分のメモリのパラメータ設定が自動で反映されます。
それでは、Parameters 内の各タブで、今回の動作確認をする上で必要な設定をしていきます。その他の設定はデフォルトのままとします。各設定の詳細説明は、先ほど触れた Details を確認してください。
General タブ
Protocol が DDR4 になっていることを確認してください。これは、先ほどの Presets で自動反映されているはずです。
次に、Speed Grade（FPGA のスピード・グレード）が I1 になっていることを確認してください。これは、先ほどのコントローラの名称と同時にターゲット・デバイスを選択しましたが、その情報が自動反映されているはずです。
他の設定はデフォルトのままとします。ちなみに、メモリ・インタフェースの周波数は 1066.667MHz です。
図2-4 Parameters - General タブ
Memory タブ
デフォルトのままとします。
Mem I/O タブ
デフォルトのままとします。
FPGA I/O タブ
デフォルトのままとします。
Mem Timing タブ
デフォルトのままとします。
Board タブ
デフォルトのままとします。
Controller タブ
デフォルトのままとします。
Diagnostics タブ
Simulation Options - Calibration mode
この設定はシミュレーションのみ有効で、実機動作には影響しません。
DDR4 SDRAM インタフェースは、電源オン後すぐにリード／ライトできる訳ではなく、初めにイニシャライズやキャリブレーションなどが行われます。詳しい説明はここでは省略しますが、これらのステップを踏まないとリード／ライトなどのアクセスができません。
このキャリブレーションをシミュレーションではスキップさせることができます。もちろん、フルでキャリブレーションの動きをシミュレーションで確認することもできますが、構成によっては相当な時間が掛かります。
- Skip calibration：キャリブレーションをスキップ
- Full calibration：キャリブレーションを省略することなく実行
図2-5 Parameters – Diagnostics タブ
Example Designs タブ
Example Design Files
- Simulation
- Example Design でシミュレーションする場合は、チェックを入れてください。
- Synthesis
- Example Design で実機確認する場合は、チェックを入れてください。
Generated HDL Format - Simulation HDL format
シミュレーションを行う HDL を選択します。
Target Development Kit - Select board
ターゲットのボードを選択します。ただし、前述の Presets のところで Arria® 10 GX FPGA 開発キットに同梱されている Arria 10 GX FPGA Development Kit with DDR4 HILO を使用する設定をしているので、それが選択されているはずです。
図2-6 Parameters – Example Design タブ
設定が終わったら、この設定を保存します。IP Parameter Editor の File メニュー ⇒ Save As を選択して、ここでは ddr4.qsys という名前で保存します。
次に、Example Designを生成します。Generate Example Design をクリックして、Example Design を生成する場所を指定したら、Generate をクリックします。
今回は C:\Work\a10_ddr4_1710\example_design を生成場所として指定しました。
図2-7 Example Design の生成
Example Design の生成には数分掛かります。正常に生成できたら以下のウィンドウが表示されるので、Close をクリックします。
図2-8 Example Design 生成完了
今回は Example Design による動作確認を行うので、コントローラの生成は行いません。皆さんの FPGA デザインにコントローラ実装する予定であれば、コントローラの生成を行ってください。
Example Design が生成されると、qii フォルダと sim フォルダなどが生成されます。
図2-9 Example Design 用フォルダ
3. ファンクション・シミュレーションの実行
ファンクション・シミュレーションを実行してみます。シミュレーションを実行するために必要なファイル（シミュレーション用プロジェクトやテストベンチ、トラフィック・ジェネレータ、メモリ・モデルなど）も、コントローラの生成時に自動で生成されるので、手間を掛けずにシミュレーションできます。
シミュレーションの簡単な動きを説明すると、クロックの供給を受けているトラフィック・ジェネレータからメモリ・コントローラへアドレスやコマンド、データが送られ、PHY を介してメモリへライトされます。その後、メモリからリードされたデータがライトしたデータと比較されます。一致していれば Success = High、一致していなければ Fail = High となります。
図3-1 シミュレーション用プロジェクトの構成
今回は、ModelSim® FPGA Edition を使用してシミュレーションしてみます。
ModelSim® FPGA Edition を起動したら、File メニュー ⇒ Change Directory を選択して、作業ディレクトリを指定します。
今回は C:\Work\a10_ddr4_1710\example_design\sim\ed_sim\mentor を指定します。ModelSim® は Mentor Graphics® 社のシミュレータなので、mentor フォルダを指定します。
図3-2 Change Directory
次に、ModelSim® FPGA Edition の Transcript ウィンドウに、以下の順にコマンドを実行します。
- do msim_setup.tcl （シミュレーション用スクリプトを実行）
- ld_debug （ライブラリをコンパイル/デザイン・ファイルをコンパイル/デザインをロード）
- add wave "ed_sim/*" （wave ウィンドウに信号を取り込み）
- run -all （シミュレーションを実行）
図3-3 Transcript ウィンドウでコマンド実行
PC スペック依存ではありますが、この構成では、ModelSim® FPGA Edition によるシミュレーション完了まで 30分程度掛かりました。（ちなみに、Questa® Prime/Core では 4分程度で終わりました。）
シミュレーションが終わったら、自動で停止します。シミュレーションが完了して波形を確認したい時は、いいえ をクリックしてください。（はい をクリックすると、ModelSim® FPGA Edition が閉じてしまうので、注意してください。）
図3-4 シミュレーション終了
シミュレーション波形を見ると、途中のキャリブレーションが完了した時点で ***_local_cal_success が High になっていることが確認できます。Skip Calibration でのシミュレーションではキャリブレーションの波形は省略されています。
また、***_traffic_gen_pass が High になった時点で、シミュレーションが完了しています。Example Design ではライト／リードしてコンペアする動作を繰り返しますが、シミュレーションでは 1週目が終わったら終了するようになっています。ただし、実機確認ではこれがずっと続くので、ロング・ランのテストにも使用できます。
図3-5 シミュレーション波形（Skip Calibration）
4. Example Design のコンパイル
続いて、Example Design をコンパイルする準備をします。下図は Example Design のブロック図です。
図4-1 動作確認用プロジェクトの構成
コンパイルするには各種設定や制約、ピン・アサインが必要ですが、Arria® 10 GX FPGA 開発キット 向けに生成した Example Design は、各種設定や制約、ピン・アサインが既にされています。念のため、Pin Planner を見てみましょう。Quartus® Prime の Assignments メニュー ⇒ Pin Planner を選択してください。
図4-2 Pin Planner
実際に、コンパイルしてみます。Quartus® Prime の Processing メニュー ⇒ Start Compilation を選択してください。
正常にコンパイルは終了しましたか？
図4-3 コンパイル終了
＜補足＞
タイミング解析結果（コンパイル・レポートの TimeQuest Timing Analyzer）が赤字になっています。これは、すべてのピンに対してタイミング制約をしていない事に起因しています。しかし、未制約ピンはリセットや JTAG 関連、LED に出力するピンであるため、今回はこのまま進めることにします。
もし、Setup や Hold でタイミング違反が起きている場合は、コンパイルの設定を変更してみましょう。Quartus® Prime の Assignments メニュー ⇒ Settings ⇒ Compiler Settings ⇒ Optimization mode で Performance に設定します。この設定はパフォーマンス重視のコンパイルを目指すものなので、タイミングに関しては改善する傾向にありますが、リソースを多く消費するケースがあります。
5. 開発キットを使用して動作確認
コンパイルが完了したら、コンパイルで生成された SOF ファイルを Arria® 10 デバイスへ書き込みます。開発キットと PC 間を USB ケーブル（開発キット側：USB Micro-B）で接続し、電源を投入します。
＜補足＞
Altera® FPGA には、JTAG ポートが備わっています。この JTAG ポートから FPGA ダウンロード・ケーブルを介して、データを書き込みます。
通常は FPGA ダウンロード・ケーブル（USB-Blaster™ や USB-Blaster™ II など）を使用しますが、Arria® 10 GX FPGA 開発キットは Blaster の機能がボード上に実装されているため、別途ダウンロード・ケーブルを用意する必要はなく、USB ケーブルだけでデータ書き込みができます。
開発キットの中央に、同梱されている DDR4 ドータ・カードを実装してください。
図5-1 Arria® 10 GX FPGA 開発キットのケーブル接続
また、JTAG チェーンの 設定（裏面の DIP スイッチ／SW4）も確認してください。
- 1：OFF （左側）
- 2：ON （右側）
- 3：ON （右側）
- 4：ON （右側）
図5-2 JTAG チェーンの DIP スイッチ設定
次に、Quartus® Prime の Tools メニュー ⇒ Programmer を選択して、Quartus® Prime Programmer を起動します。
Programmer が起動して、書き込み用の SOF ファイルが自動で登録されていれば、Hardware Setup と Mode が選択されていることを確認してから、Start をクリックして書き込みを実行します。
もし Programmer に SOF ファイルが登録されていない場合、ダウンロード・ケーブルやモード、書き込みファイルを以下のように設定してから、Start をクリックして書き込みを実行します。
- Hardware Setup：USB-Blaster™ II（USB-Blaster™ II のドライバをインストールしていないと、選択できません） ⇒ USB-Blaster™ II のドライバのインストール方法
- Mode：JTAG
- Add File：コンパイル時に生成された SOF ファイル（ファイル名：ed_synth.sof）
図5-3 Quartus Prime Programmer
SOF ファイルの書き込みが終わったら、実際に Example Design が動作します。正常に動作していれば、緑色の LED が点灯しているはずです。
図5-4 Arria® 10 GX FPGA 開発キット（動作中）
LED は下表の通りに割り当てられています。これらのピン・アサインも、開発キット用の Example Design では自動でアサインされています。
表5-1 Example Design のピン説明（一部）
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ピン名
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LED
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説 明
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***_status_local_cal_success
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D3 緑
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メモリの初期化（イニシャライズ）やトレーニング、キャリブレーションが正常に完了すると High にアサートされます。コントローラがメモリ・インタフェースを使用する準備ができていることを示しています。
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***_status_local_cal_fail
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D3 赤
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メモリの初期化（イニシャライズ）やトレーニング、キャリブレーションに失敗すると High にアサートされます。
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***_tg_0_traffic_gen_pass
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D10 緑
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Example Design によるメモリへのライト/リードの動作確認パターンの 1周目が完了（正常）すると、High にアサートされます。
シミュレーションでは 1周で停止しますが、動作確認用 Example Design では動作確認パターンを繰り返します。 |
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***_tg_0_traffic_gen_fail
|
D10 赤
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Example Design によるメモリへのライト/リードの動作確認パターンの 1周目が完了（失敗）すると、High にアサートされます。
シミュレーションでは 1周で停止しますが、動作確認用 Example Design では動作確認パターンを繰り返します。 |
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***_tg_0_traffic_gen_timeout
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D7 緑
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Example Design によるメモリへのライト／リードの動作確認パターンでタイム・アウトすると、High にアサートされます。
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また、Signal Tap ロジック・アナライザ 機能を利用すれば、FPGA 内部信号をモニタすることもできます。これについては、別の機会に紹介したいと思います。