SDRAM控制器簡易化設(shè)計(jì)

劉浩淼，卞樹檀，朱守保

（第二炮兵工程學(xué)院 陜西 西安 710025）

SDRAM（Synchronous DRAM）是一種大容量快速讀寫存儲(chǔ)器，因?yàn)槠渥x寫速度快、容量大、價(jià)格低廉，被廣泛應(yīng)用到音頻、視頻處理[1]，數(shù)據(jù)采集，手持電子設(shè)備，雷達(dá)設(shè)備[2－3]等方面。這里使用SDRAM作為視頻回波模擬器的回波數(shù)據(jù)高速緩存。

工控機(jī)PC104產(chǎn)生相關(guān)的模擬回波數(shù)據(jù)，以FPGA為中介將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于I/Q兩路SDRAM，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)輸出操縱。由于回波脈沖有一定間隔，所以方案使用SDRAM以單字讀寫模式工作。

1 SDRAM特性

這里使用的SDRAM芯片是現(xiàn)代公司生產(chǎn)的HY57V561620型號(hào)芯片[4]，擁有4個(gè)Bank，每個(gè)Bank容量為4，194，304×16 bit，B0～B1 是 2 根 Bank 選擇線，A0～A12 的 13根地址線是行地址，RA0～RA12與列地址 CA0～CA8復(fù)用，D0～D15是16根數(shù)據(jù)線。地址線還可以對(duì)工作模式進(jìn)行設(shè)置，A10控制預(yù)充電模式等功能。工作時(shí)鐘能達(dá)到133 MHz（7.5 ns），是一種高速存儲(chǔ)器。

采用Ateral公司颶風(fēng)系列的EP1C6Q240芯片[5]，對(duì)SDRAM控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。這種設(shè)計(jì)節(jié)省PCB空間，又增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性。FPGA有重復(fù)可編程的特征，使得SDRAM控制器可以方便地進(jìn)行功能擴(kuò)展。

2 SDRAM控制操作

SDRAM 操作[3－4，6－7]包括初始化、讀寫、預(yù)充電和刷新等操作。初始化過程如下：上電等待200 μs，隨后完成1次預(yù)充電，隨后連續(xù)進(jìn)行8次刷新操作，最后對(duì)模式寄存器進(jìn)行設(shè)置。至此初始化完畢，SDRAM進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

SDRAM芯片內(nèi)部嵌有一個(gè)控制模塊操作底層的存儲(chǔ)單元，所以SDRAM工作狀態(tài)是通過命令控制的。這些命令包括：預(yù)充電（Precharge）和自動(dòng)預(yù)充電（Auto Precharge）、激活（Active）、讀（Read）、寫（Write）、自動(dòng)刷新（Auto Refresh）和自刷新（Self Refresh）等。這里介紹幾個(gè)相關(guān)的命令：刷新、預(yù)充電、激活、讀寫。

刷新是對(duì)SDRAM內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新的操作。SDRAM存儲(chǔ)單元實(shí)質(zhì)是使用電容存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的，電容有漏電現(xiàn)象，所以需要每隔一段時(shí)間對(duì)其進(jìn)行一次重新充電，芯片手冊(cè)要求在每64 ms對(duì)內(nèi)部所有行213=8 192進(jìn)行一次刷新。刷新包括：自動(dòng)刷新和自刷新。自刷新是在低功耗下芯片內(nèi)部自動(dòng)完成的。自動(dòng)刷新是由控制器發(fā)起的，它必須在SDRAM沒有激活行時(shí)才能進(jìn)行，每次提出刷新命令芯片內(nèi)部會(huì)通過行自加器對(duì)行數(shù)加一。對(duì)芯片刷新的實(shí)現(xiàn)方法有：集中刷新和定時(shí)刷新。由于模擬數(shù)據(jù)擁有固定時(shí)序，且沒有大塊的空閑時(shí)間，所以選擇定時(shí)刷新。

預(yù)充電是對(duì)讀寫的行進(jìn)行關(guān)閉操作。這里選擇預(yù)充電而沒有使用自動(dòng)預(yù)充電，是出于掌握對(duì)時(shí)序的主動(dòng)控制考慮，每次對(duì)全部模塊進(jìn)行預(yù)充電。

激活是對(duì)某一行的激活，這樣才能對(duì)這一行進(jìn)行讀寫操作。激活過程實(shí)質(zhì)上是對(duì)行地址的鎖存。

讀寫是在激活行上進(jìn)行的，讀寫命令與列地址同時(shí)發(fā)出?？梢酝话l(fā)讀寫，其長度是在初始化時(shí)通過對(duì)模式寄存器時(shí)設(shè)置實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)使用突發(fā)讀/單一寫的模式，突發(fā)長度為1。

表1 命令真值表Tab.1 Command truth table

Mode Code設(shè)置為220 H，即突發(fā)讀/單一寫，讀操作潛伏期為2 clk，順序突發(fā)，突發(fā)長度為1。

3 模塊化設(shè)計(jì)

SDRAM控制器采用模塊化設(shè)計(jì)，可以進(jìn)行功能模塊化調(diào)試，便于設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)模塊由4部分組成：狀態(tài)控制機(jī)（State Control Machine）、命令控制機(jī)（Command Control Machine）、刷新機(jī)（Refresh Machine）、雙向鎖存器（Latch）。 控制器總體設(shè)計(jì)如1所示。

圖1 SDRAM控制器結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 SDRAM controller block diagram

3.1 狀態(tài)控制器

狀態(tài)控制機(jī)是控制模塊的核心，它接收請(qǐng)求信號(hào)并通過狀態(tài)分析控制其他模塊的工作。狀態(tài)控制機(jī)的設(shè)計(jì)主要通過設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)[8]來完成，SDRAM的控制狀態(tài)主要分為：初始化、正常工作狀態(tài)，狀態(tài)圖分別如圖2、圖3所示。

設(shè)備加電后狀態(tài)控制機(jī)先進(jìn)入初始化狀態(tài)（Initial），依次完成：等待200 μs、預(yù)充電、8次刷新、模式寄存器設(shè)置（MRS）。隨后進(jìn)入正常工作狀態(tài)，工作狀態(tài)首先進(jìn)入空閑狀態(tài)（Idel），此時(shí)可能會(huì)有讀寫、刷新請(qǐng)求，因此需要制定一個(gè)優(yōu)先級(jí)判別機(jī)制。使用SDRAM讀取數(shù)據(jù)模擬脈沖回波，數(shù)據(jù)不能被中斷，因此設(shè)置讀寫操作優(yōu)先級(jí)高于刷新，這樣刷新操作必須在空閑狀態(tài)時(shí)才響應(yīng)。如果當(dāng)讀寫操作正在進(jìn)行時(shí)刷新定時(shí)到來，可以設(shè)置一個(gè)標(biāo)志記錄變量，在完成讀寫操作進(jìn)入空閑狀態(tài)后再通過刷新標(biāo)志變量來判定是否進(jìn)入刷新狀態(tài)（Refresh）。VerilogHDL部分實(shí)現(xiàn)程序如下：

圖2 初始化狀態(tài)圖Fig.2 Initialization state diagram

圖3 工作狀態(tài)圖Fig.3 Work state diagram

在讀寫操作狀態(tài)（Read/Write）時(shí)，也不知道刷新請(qǐng)求會(huì)什么時(shí)候到來，所以采用每次回到空閑狀態(tài)前進(jìn)行一次對(duì)所有Bank的預(yù)充電（Precharge），為空閑狀態(tài)的刷新做好準(zhǔn)備。讀寫模式為單一讀寫，每次間隔與發(fā)射脈沖頻率相關(guān)為500 ns，因此也有足夠的時(shí)間完成預(yù)充電。狀態(tài)控制機(jī)內(nèi)部有兩個(gè)分別控制讀寫的地址譯碼器，譯碼器自動(dòng)遞增讀寫的地址，因此設(shè)計(jì)了讀寫激活狀態(tài)（Active Read/Active Write）來判斷是激活讀地址還是寫地址。

狀態(tài)控制機(jī)還輸出dat脈沖信號(hào)去鎖存雙端口鎖存器的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)在操作時(shí)的穩(wěn)定性。

3.2 命令控制器

狀態(tài)控制機(jī)通過分析狀態(tài)給出相應(yīng)的命令信號(hào)，命令信號(hào)輸入到命令控制機(jī)（Command Control Machine）。命令控制機(jī)輸出端直接去控制SDRAM，對(duì)輸入端命令信號(hào)的分析和輸出以真值表1為依據(jù)，部分實(shí)現(xiàn)代碼如下：

命令的譯碼操作主要是根據(jù)輸入判斷輸出。在讀寫操作時(shí)，當(dāng)讀寫完一行數(shù)據(jù)29×16=512×16 bit后需要對(duì)行地址加一，對(duì)列地址再加一為零，從下次開始讀寫下一行數(shù)據(jù)。

3.3 刷新機(jī)

刷新機(jī)（RefreshMachine）的實(shí)質(zhì)是定時(shí)器，它以固定時(shí)間間隔輸出刷新脈沖。芯片手冊(cè)要求在64 ms內(nèi)對(duì)所用行進(jìn)行一次刷新，計(jì)算每次刷新的間隔為7812.5 ns，片上時(shí)鐘頻率為100 MHz，即每計(jì)781個(gè)數(shù)進(jìn)行一次刷新，這里考慮到刷新的優(yōu)先級(jí)低，可能被推遲執(zhí)行，所以設(shè)置每記512個(gè)數(shù)提出一次刷新請(qǐng)求。

3.4 雙向鎖存器

PC104通過ISA總線和SDRAM通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是雙向的，雙向鎖存器（Latch）[9]為滿足數(shù)據(jù)流通提供了橋梁。數(shù)據(jù)的輸入采用鎖存機(jī)制，使輸出端得到的數(shù)據(jù)穩(wěn)定。DA[15..0]與PC104的數(shù)據(jù)總線相連；DB[15..0]與SDRAM的數(shù)據(jù)線相連；控制數(shù)據(jù)的流向，高電平時(shí)數(shù)據(jù)從DA[15..0]流向DB[15..0]，反之則流向相反；dat脈沖對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存。

4 實(shí)驗(yàn)分析

對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行聯(lián)合實(shí)驗(yàn)的時(shí)序仿真如圖4所示。

圖4 控制器整體時(shí)序圖Fig.4 Control the overall timing diagram

實(shí)驗(yàn)對(duì)控制器的初始化、寫操作、讀操作和刷新操作進(jìn)行了仿真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明SDRAM控制器對(duì)于各個(gè)操作都有正確的時(shí)序輸出。在設(shè)計(jì)刷新操作實(shí)驗(yàn)時(shí)，特意同時(shí)給出讀脈沖和刷新脈沖來測試控制器對(duì)優(yōu)先級(jí)的判定能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在控制器完成讀操作并回到空閑狀態(tài)后才去響應(yīng)刷新請(qǐng)求正確地執(zhí)行了優(yōu)先級(jí)操縱。在時(shí)間軸上對(duì)每個(gè)響應(yīng)操作的時(shí)間進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)操作響應(yīng)存在一定的延時(shí)，這是硬件電路的性能和時(shí)鐘頻率所決定的，延時(shí)在可接受范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)證明使用模塊化設(shè)計(jì)SDRAM控制器的方法可行。

5 結(jié)束語

筆者從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)設(shè)計(jì)了單一長度讀寫的SDRAM控制器，使用了狀態(tài)機(jī)和模塊化設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)簡潔明了，簡化了設(shè)計(jì)流程，并通過了時(shí)序仿真，可以被視頻回波模擬器設(shè)計(jì)所使用。下一步要從設(shè)計(jì)上和時(shí)鐘上做一些改進(jìn)盡量減小操作響應(yīng)的延時(shí)。

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