基于FPGA SDRAM的AXIS_SDRAM接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李浩 申偉

摘? ?要：由于FPGA片內(nèi)存儲(chǔ)資源有限，擴(kuò)展外部存儲(chǔ)空間是必要的，然而眾多存儲(chǔ)芯片總線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制繁瑣。為此，本文以賽靈思的FPGA為平臺(tái)，設(shè)計(jì)一種以常用而快捷的axi_stream的形式訪問(wèn)SDRAM的接口。

關(guān)鍵詞：FPGA? SDRAM? AXIS? FIFO? BRAM

隨著芯片的不斷更新?lián)Q代，集成ARM核的FPGA芯片得到了廣泛的應(yīng)用[1]。axi的總線協(xié)議在FPGA里面應(yīng)用也越來(lái)越廣。axi_stream協(xié)議為axi的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。本文將采用axi_stream的時(shí)序以fifo與bram的形式訪問(wèn)SDRAM的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。

1? axis_sdram接口

本文將axis_sdram接口分為兩種，不帶地址的axis_fifo_sdram（下文簡(jiǎn)稱axis_fifo）和帶地址的axis_bram_sdram（下文簡(jiǎn)稱axis_bram）接口。兩種接口均采用axis_stream的時(shí)序。axis_bram接口為一個(gè)地址對(duì)應(yīng)一幀數(shù)據(jù)，可重復(fù)讀取數(shù)據(jù)。與axis_fifo的區(qū)別在于axis_bram寫指定存儲(chǔ)空間，當(dāng)用戶需要讀寫數(shù)據(jù)時(shí)，需要同時(shí)給出讀寫地址總線地址數(shù)據(jù)。

axis_fifo和bram接口的讀寫數(shù)據(jù)共同點(diǎn)在于，當(dāng)ready與valid兩根信號(hào)線同時(shí)有效（高電平）時(shí)，數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)才有效。此外，axis_bram中，當(dāng)用戶寫完一幀數(shù)據(jù)后，等待監(jiān)測(cè)m_axis_tlast3信號(hào)線拉高，可以開(kāi)始寫第二幀數(shù)據(jù)，具體時(shí)序見(jiàn)圖 1。讀用戶監(jiān)測(cè)到m_axis_tlast3信號(hào)拉高時(shí)，說(shuō)明底層sdram已經(jīng)存儲(chǔ)好寫用戶的一幀數(shù)據(jù)，此時(shí)讀用戶將讀地址使能信號(hào)拉高一段時(shí)間，同時(shí)給出讀地址總線數(shù)據(jù)，后讀地址使能信號(hào)拉低，至此，用戶監(jiān)測(cè)到讀數(shù)據(jù)側(cè)的axis_last拉高，完成一幀數(shù)據(jù)讀寫。

2? sdram接口

此sdram存儲(chǔ)空間為256Mb，數(shù)據(jù)位寬為32位，速率等級(jí)有-5、-6、-7三個(gè)等級(jí)，最高時(shí)鐘頻率為200MHz。Bank數(shù)量為4，行地址位寬為12bit，列地址復(fù)用行地址的低位9bit?？刂七壿嫴蓸訝顟B(tài)機(jī)的形式，首先狀態(tài)機(jī)設(shè)置為初始化狀態(tài)，初始化主要是芯片上電后首先執(zhí)行的操作。首先執(zhí)行空操作，再延時(shí)100us，進(jìn)行預(yù)充電操作，緊接著兩次自刷新操作，進(jìn)入模式寄存器配置，初始化完成。模式寄存器配置過(guò)程中，首先cmd給模式寄存器配置指令，通過(guò)給12bit地址總線信號(hào)設(shè)置操作模式、突發(fā)模式、潛伏期、突發(fā)傳輸方式以及全頁(yè)突發(fā)設(shè)置。

初始化完成后，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入刷新、預(yù)充電狀態(tài)，給寫指令進(jìn)入寫數(shù)據(jù)狀態(tài)機(jī)，給讀指令進(jìn)入讀數(shù)據(jù)狀態(tài)機(jī)。

3? axis與sdram底層接口

將sdram四個(gè)bank分成兩個(gè)存儲(chǔ)空間，bank0、bank1作為axis_fifo的存儲(chǔ)空間，bank2、bank3作為axis_bram的存儲(chǔ)空間。由于axis_fifo與axis_bram兩種接口訪問(wèn)同一塊物理存儲(chǔ)芯片，所以邏輯設(shè)置優(yōu)先級(jí)與新增標(biāo)志信號(hào)控制時(shí)序。

此部分控制邏輯采用狀態(tài)機(jī)循環(huán)監(jiān)測(cè)標(biāo)志信號(hào)狀態(tài)以判斷對(duì)底層sdram的操作。狀態(tài)機(jī)流程見(jiàn)圖2，首先，狀態(tài)機(jī)檢測(cè)axis_fifo緩沖器里面是否有數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)，狀態(tài)機(jī)檢測(cè)sdram存儲(chǔ)是否寫滿，如果沒(méi)有，狀態(tài)機(jī)將狀態(tài)設(shè)置為axis_fifo向sdram寫數(shù)據(jù)狀態(tài)。如果axis_fifo里面沒(méi)有數(shù)據(jù)或者sdram的剩余存儲(chǔ)空間不足以寫一幀數(shù)據(jù)，那么狀態(tài)機(jī)將進(jìn)入中斷axis_fifo寫狀態(tài)，進(jìn)入等待狀態(tài)，底層sdram會(huì)進(jìn)入中斷等待定時(shí)刷新?tīng)顟B(tài)。

當(dāng)狀態(tài)機(jī)檢測(cè)到axis_fifo緩沖器數(shù)據(jù)last信號(hào)后，識(shí)別為一幀數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，狀態(tài)機(jī)也將跳到中斷等待狀態(tài)，狀態(tài)機(jī)會(huì)依次監(jiān)測(cè)axis_fifo寫使能、axis_fifo讀使能，axis_bram寫使能、axis_bram讀使能。檢測(cè)到其中一個(gè)使能信號(hào)將進(jìn)入對(duì)應(yīng)狀態(tài)機(jī)操作，執(zhí)行對(duì)sdram進(jìn)一步控制。

此部分涉及到last信號(hào)傳遞、讀寫數(shù)據(jù)sdram地址數(shù)據(jù)的記憶以及時(shí)序邏輯采樣延時(shí)導(dǎo)致信號(hào)時(shí)序不同步的問(wèn)題。sdram地址記憶采用fifo ip和單口bram ip存儲(chǔ)寫數(shù)據(jù)時(shí)最后一幀數(shù)據(jù)last信號(hào)的地址，地址采用bank+row+column的形式。當(dāng)讀取sdram的數(shù)據(jù)時(shí)，檢測(cè)到讀數(shù)據(jù)的地址與fifo ip或者bram ip數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)一致時(shí)，則判斷為一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束，底層sdram接口產(chǎn)生讀數(shù)據(jù)端的last信號(hào)。由于axis的使能信號(hào)采用時(shí)序邏輯采樣傳遞到底層sdram接口，會(huì)有兩個(gè)時(shí)鐘周期的延遲，因此，axis接口的數(shù)據(jù)采用D觸發(fā)器延遲兩拍傳遞到sdram，為更快的更新信號(hào)狀態(tài)，ready信號(hào)采用組合邏輯。

4? 接口測(cè)試

測(cè)試方法分別向兩種接口下發(fā)測(cè)試數(shù)據(jù)，再讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行效驗(yàn)（見(jiàn)圖3、圖4）。測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)編寫測(cè)試邏輯產(chǎn)生。向axis_fifo_sdram接口下發(fā)1、2、3…10000，10000個(gè)寄存器數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)拆分為9幀數(shù)據(jù)，后通過(guò)axis_fifo接口讀回來(lái)效驗(yàn)。向axis_bram接口固定地址寫一幀數(shù)據(jù)，讀回來(lái)效驗(yàn)。效驗(yàn)方法為，定義一個(gè)出錯(cuò)數(shù)據(jù)寄存器（cnt_erro_fifo、cnt_erro_bram），如果數(shù)據(jù)出錯(cuò)，cnt_erro_fifo或者cnt_erro_bram會(huì)進(jìn)行累加。

測(cè)試結(jié)果：錯(cuò)誤數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器為0，last信號(hào)正確傳遞。

5? 結(jié)語(yǔ)

隨著科技的發(fā)展，知識(shí)體系越來(lái)越龐大。在FPGA應(yīng)用設(shè)計(jì)中，利用IP CORE可以大大節(jié)約FPGA工程師開(kāi)發(fā)的周期。對(duì)于沒(méi)有IP CORE資源的，用戶進(jìn)行自定義IP設(shè)計(jì)是必要的。本文主要進(jìn)行了一種物理存儲(chǔ)芯片SDRAM的二次封裝，以更簡(jiǎn)潔更實(shí)用的方式建立用戶接口，以便用戶快速訪問(wèn)外部SDRAM存儲(chǔ)器。

參考文獻(xiàn)

[1] 齊佳碩，王洪巖.基于FPGA的SDRAM接口設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2018（19）：141-144.