インテル® FPGA に DDR3 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します。このページでは Cyclone® Vデバイスが実装されている Beryll Cyclone V GX ベーシックボード（Beryll ボード） を使用して説明しますが、UniPHY ベースの DDR3 SDRAM コントローラをサポートしている Stratix® シリーズや Arria® シリーズでも、基本的なフローは同じです。
＜アジェンダ＞
- Cyclone® V デバイスの DDR3 SDRAM サポート状況の確認
- DDR3 SDRAM コントローラ with UniPHY の生成
- 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
- Beryll ボードを使用して動作確認
- まとめ
1. Cyclone® V デバイスの DDR3 SDRAM サポート状況の確認
DDR3 SDRAM インタフェースのサポート状況は、『インテル® FPGA に外部メモリ・コントローラを実装！（準備編）』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 Beryll Cyclone V GX ベーシックボード（Beryll ボード） に実装されている Cyclone® V デバイス（型番：5CGXFC4C6F27C7N）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：Cyclone® V GX
- 温度範囲 & スピード・グレード：コマーシャル温度範囲 (C)、-7
- インタフェースの種類：ソフト、ハード
- メモリ規格：DDR3
- メモリ・トポロジー & ランク：コンポーネント、1 チップ・セレクト
検索結果は、以下の通りとなりました。ちなみに、型番の後半部分の C7 が、温度範囲 & スピード・グレードを表しています。
この検索結果から、Beryll ボードで確認できるのは、
- ハード・メモリ・コントローラ（HMC）だと、最大周波数は 400 MHz (800 Mbps) まで
- ソフト・メモリ・コントローラ（SMC）だと、最大周波数は 303 MHz (606 Mbps) まで
ということになります。従って、今回は
- ハード・メモリ・コントローラ（HMC）で、メモリ・インタフェースの周波数は 400 MHz (800 Mbps)
で動かしてみたいと思います。
それでは、インテル® 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！
＜使用するツール＞
- Quartus® Prime 開発ソフトウェア v16.0：Standard Edition または Lite Edition
- Standard Edition：有償ライセンス必要
- Lite Edition：ライセンス不要
- ModelSim® - Intel® FPGA Edition 10.4d (Quartus® Prime 16.0)
- ModelSim® - Intel® FPGA Edition：有償ライセンス必要
- ModelSim® - Intel® FPGA Starter Edition：ライセンス不要
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、インテル® FPGA のサイト（ダウンロード）から入手できます。
2. DDR3 SDRAM コントローラ with UniPHY の生成
まずは、メモリ・コントローラを生成してみましょう！
Quartus® Prime 開発ソフトウェアを起動して、IP Catalog の検索バーに DDR3 と入力して、DDR3 SDRAM Controller with UniPHY を検索します。
コントローラ関連の様々なファイルを生成するディレクトリとコントローラの名前を設定する画面が現れます。生成する言語（Verilog または VHDL）も選択して OK をクリックします。この時、パスやファイル名に全角文字や半角スペースは避けましょう！今回は、コントローラを ddr3 という名前にします。
すると、コントローラの設定画面が表示されます。必要な設定をしていきましょう！
まずは、HMC を有効に設定します。
以降、必要な設定をしていきますが、今回は Beryll ボードで動作確認する上で必要最小限の設定しか行いません。それ以外は、デフォルトのままとします。
詳細は、EMIF ハンドブック を参照してください。
PHY Settings タブ
今回はリファレンス・クロックに 50 MHz のクロックを使用します。PHY Settings タブは、以下の設定を行ってください。
- Speed Grade：7
- Memory clock frequency：400.0 MHz
- PLL reference clock frequency：50.0 MHz
- Rate on Avalon-MM interface：Full
- Article header beryll ddr3 fig3 4 1
Memory Parameters タブ
Beryll ボードに実装されている DDR3 SDRAM は、Micron の MT41J64M16 が 2個です。このメモリは 1個当たり 16-bit 幅なので、合計で 32-bit 幅となります。
右側の Preset for ... から、実装されているメモリを探します。ここには代表的なメモリが予めリスト化されていて、細かいパラメータも設定済みです。今回は運よく、実装されているメモリがありましたので、選択して Apply をクリックします。そうすると、メモリの構成やパラメータなどが反映されます。もし使用したいメモリがリストにない場合は、構成などが似ているメモリを選択してパラメータをデータシートを見ながら編集し、名前を付けて保存すると、次からは簡単に呼び出せます。
Beryll ボード上で Cyclone V デバイスとメモリ間はデータが 32-bit 幅で接続されているので、今回の検証も 32-bit 幅で行ってみようと思います。
今回は、以下の設定のみ Memory Parameters タブ内の設定をします。
- Total interface width：32
Memory Timing タブ
先ほど Memory Parameters タブでメモリ情報を反映させたので、設定はそのままにします。
Board Settings タブ
今回は、デフォルトのままとします。
Controller Settings タブ
今回は、デフォルトのままとします。
Diagnostics タブ
今回は、Auto-calibration mode のみ設定します。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。
DDR3 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るので、覚悟が必要です。このキャリブレーションの省略度合を設定するのが、Auto-calibration mode です。
- Skip calibration：キャリブレーションをスキップ
- Quick calibration：キャリブレーションを一部だけ実行
- Full calibration：キャリブレーションを省略することなく実行
コントローラの生成
Finish をクリックして、コントローラを生成させます。この時、下図のように Generate Example Design にチェックを入れて Generate をクリックすると、シミュレーションや実機動作が簡単に行える環境（Example Design）も同時に生成してくれます。
コントローラの生成は、数分程度掛かります。生成が終わったら、Exit をクリックします。
続きは、『インテル® FPGA で DDR3 動作！（実践編）［2/2］』をご覧ください。