自冯·诺依曼架构体系面世以来,处理器与内存一直被视为计算机系统的核心。系统将正运行的程序数据放入内存,需要时再从中读取,因此处理器与内存之间的数据传输速率直接决定了系统的性能。内存的硬件规格固然是影响传输速率的重要因素,但内存控制器在传输中的作用同样不可忽视。内存控制器作为处理器与内存之间传输数据的桥梁,不仅决定了系统所能使用的内存类型、内存频率、最大内存容量等重要参数,还控制着整个数据传输的过程。本文针对片上系统的数据存储与传输需求,结合DDR4内存的功能特性和引脚信息,提出了一种DDR4控制器的设计方案。首先,深入研究了So C各类总线架构,选取高性能、高灵活性的AXI总线用于设计片上系统与控制器之间传输数据与控制信息的接口。其次,在对比分析多种协议的基础上,内存控制器选用APB总线设计配置接口,并采用DFI接口来连接外部的DDR PHY。再次,依据控制器内部的功能划分,将控制器分为接口模块、仲裁模块、访存调度模块、时序控制模块、刷新模块、配置模块、命令解码模块和DFI传输模块并逐一进行设计。深入分析新增的Bank Group结构对DDR4内存读写时序的影响,同时兼顾内存连续读写时需执行预充电、激活等操作的特性,设计了一种以“页命中”和不同BG访存命令为优先原则的调度机制,并应用于访存调度模块。最后,使用Verilog硬件描述语言完成内存控制器的设计。构建完整的测试平台,编写测试激励并进行仿真验证,分析验证结果使得控制器达到设计要求。为了模拟真实的应用场景,测试平台采用Micron公司提供的DDR4虚拟模型与标准化的DDR PHY搭建完整的传输链路。整体的验证工作使用VCS软件进行模拟仿真,通过分析产生的log与波形文件,定位验证与设计中的问题。修改设计代码与测试激励,反复进行仿真测试,最终将整体验证的综合覆盖率提升至98%以上,说明此次验证工作基本覆盖所有的测试点,已达到较高的完备性。内存控制器成功实现对DDR4内存的初始化测试、读写传输、刷新控制、配置参数等操作,并通过最高频率达3200MHz的DDR4内存访存测试。结果表明本文设计的控制器满足预期功能需求,达到设计目标。