基于CPLD的SDRAM控制器的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)是現(xiàn)代信號(hào)處理的基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲納、軟件無(wú)線電、瞬態(tài)信號(hào)測(cè)試等領(lǐng)域。隨著信息科學(xué)的飛速發(fā)展，人們面臨的信號(hào)處理任務(wù)越來(lái)越繁重，對(duì)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高。近年來(lái)復(fù)雜可編程邏輯器件(Complex Programable Logic Dev ice，CPLD)由于其設(shè)計(jì)靈活性、更強(qiáng)的適應(yīng)性及可重構(gòu)性，結(jié)合同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器(Synchronous Dynamic Random Access Memory，SDRAM)的高速、大容量、價(jià)格優(yōu)勢(shì)，在設(shè)計(jì)高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)受到了廣泛的關(guān)注。SDRAM(同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器)具有價(jià)格低廉、密度高、數(shù)據(jù)讀寫速度快的優(yōu)點(diǎn)，從而成為數(shù)據(jù)緩存的首選存儲(chǔ)介質(zhì)。

1 SDRAM的基本操作

SDRAM稱為同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，同步是指其時(shí)鐘頻率與CPU前端總線的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率相同，SDRAM可以使所有的輸入輸出信號(hào)保持與系統(tǒng)時(shí)鐘同步，并且內(nèi)部的命令的發(fā)送與數(shù)據(jù)的傳輸都以它為基準(zhǔn)；動(dòng)態(tài)是指存儲(chǔ)陣列需要不斷刷新來(lái)保證數(shù)據(jù)不丟失；隨機(jī)是指數(shù)據(jù)不是線性依次存儲(chǔ)，而是自由指定地址進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫。由于SDRAM為了提高存儲(chǔ)容量，采用硅片電容來(lái)存儲(chǔ)信息，隨著時(shí)間的推移，必須給電容重新充電和刷新來(lái)保持電容里的數(shù)據(jù)信息。

在對(duì)SDRAM進(jìn)行存取數(shù)據(jù)操作之前，首先要對(duì)其初始化，即設(shè)置SDRAM的普通模式寄存器和擴(kuò)展模式寄存器，確定SDRAM的工作方式，這些設(shè)置包括突發(fā)長(zhǎng)度、突發(fā)類型、CAS潛伏期和工作模式的設(shè)置。在SDRAM芯片內(nèi)部有一個(gè)邏輯控制單元，并且有一個(gè)模式寄存器為其提供控制參數(shù)。因此，每次開(kāi)機(jī)時(shí)SDRAM都要先對(duì)這個(gè)控制邏輯核心進(jìn)行初始化。初始化過(guò)程如圖1所示。



1．1 模式寄存器的設(shè)置

Mode Register Set：模式寄存器設(shè)置，是指對(duì)SDRAM的工作方式做一定義，對(duì)寄存器的設(shè)置，可以在每次系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，也可以在每次存取之間進(jìn)行，當(dāng)SDRAM掉電時(shí)，系統(tǒng)重新啟動(dòng)后必須重寫模式寄存器。其空間安排如下表1所示：

Burst Length：決定當(dāng)接受到一個(gè)讀寫信號(hào)時(shí)可以讀取的最大的列數(shù)目，對(duì)于連續(xù)讀取模式，其值可以為1，2，4，8或整頁(yè)(full page)，當(dāng)為隔行讀取模式是，其值為1，2，4，8。

Burst Type：決定讀取模式為連續(xù)方式還是隔行方式。

CAS Latency：決定當(dāng)一個(gè)讀信號(hào)有效到第一個(gè)數(shù)值在數(shù)據(jù)線上有效時(shí)之間的間隔延遲時(shí)間，延遲時(shí)間可以設(shè)定為1，2或3個(gè)時(shí)鐘周期。例如：如果延遲時(shí)間為m，讀信號(hào)在n時(shí)刻有效，那么數(shù)據(jù)將在第m+n個(gè)時(shí)鐘信號(hào)有效，如果相應(yīng)的讀取時(shí)間適合的話，而在m+n-1時(shí)刻數(shù)據(jù)線傳送數(shù)據(jù)。

Operation Mode：A7-A8表示操作的模式。

Write Burst Mode：當(dāng)A9=0時(shí)，有A0-A2決定的Burst Length適合于讀和寫兩種操作。而當(dāng)A9=1時(shí)，Write只能讀取單一的單元，而不能支持塊操作。

Reserved：A10，A11是保留位，為以后的擴(kuò)展使用。

1．2 預(yù)充電

由于SDRAM的尋址具有獨(dú)占性，所以在進(jìn)行完讀寫操作后，如果要對(duì)同一L-Bank的另一行進(jìn)行尋址，就要將原來(lái)有效(工作)的行關(guān)閉，重新發(fā)送行／列地址。L-Bank關(guān)閉現(xiàn)有工作行，準(zhǔn)備打開(kāi)新行的操作就是預(yù)充電(Precharge)。預(yù)充電可以通過(guò)命令控制，也可以通過(guò)輔助設(shè)定讓芯片在每次讀寫操作之后自動(dòng)進(jìn)行預(yù)充電。實(shí)際上，預(yù)充電是一種對(duì)工作行中所有存儲(chǔ)體進(jìn)行數(shù)據(jù)重寫，并對(duì)行地址進(jìn)行復(fù)位，同時(shí)釋放S-AMP(重新加入比較電壓，一般是電容電壓的1／2，以幫助判斷讀取數(shù)據(jù)的邏輯電平，因?yàn)镾-AMP是通過(guò)一個(gè)參考電壓與存儲(chǔ)體位線電壓的比較來(lái)判斷邏輯值的)，以準(zhǔn)備新行的工作。具體而言，就是將S-AMP中的數(shù)據(jù)回寫，即使是沒(méi)有工作過(guò)的存儲(chǔ)體也會(huì)因行選通而使存儲(chǔ)電容受到干擾，所以也需要S-AMP進(jìn)行讀后重寫。此時(shí)，電容的電量(或者說(shuō)其產(chǎn)生的電壓)將是判斷邏輯狀態(tài)的依據(jù)(讀取時(shí)也需要)，為此要設(shè)定一個(gè)臨界值，一般為電容電量的1／2，超過(guò)它的為邏輯1，進(jìn)行重寫，否則為邏輯0，不進(jìn)行重寫(等于放電)。為此，現(xiàn)在基本都將電容的另一端接入一個(gè)指定的電壓(即1／2電容電壓)，而不是接地，以幫助重寫時(shí)的比較與判斷。

1．3 刷新

SDRAM之所以稱為同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，就是因?yàn)樗粩噙M(jìn)行刷新(Refresh)才能保留住數(shù)據(jù)，因此它是SDRAM最重要的操作。刷新操作與預(yù)充電中重寫的操作一樣，都是用S-AMP先讀再寫。進(jìn)行預(yù)充電操作還要進(jìn)行刷新的原因：因?yàn)轭A(yù)充電是對(duì)一個(gè)或所有L-Bank中的工作行操作，并且是不定期的，而刷新則是有固定的周期，依次對(duì)所有行進(jìn)行操作，以保留那些久久沒(méi)經(jīng)歷重寫的存儲(chǔ)體中的數(shù)據(jù)。但與所有L-Bank預(yù)充電不同的是，這里的行是指所有L-Bank中地址相同的行，而預(yù)充電中各L-Bank中的工作行地址并不是一定是相同的。
目前公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)是，存儲(chǔ)體中電容的數(shù)據(jù)有效保存期上限是64 ms，也就是說(shuō)每一行刷新的循環(huán)周期是64 ms，這樣刷新速度就是：行數(shù)量／64 ms。內(nèi)存規(guī)格有4096Refresh Cyeles／64 ms或8192 Refresh Cycles／64 ms的標(biāo)識(shí)，這里的4096與8192就代表這個(gè)芯片中每個(gè)L-Bank的行數(shù)。刷新命令一次對(duì)一行有效，發(fā)送間隔也是隨總行數(shù)而變化，4096行時(shí)為0．625 ps，8192行時(shí)就為7．812 5 ps。刷新操作分為兩種：自動(dòng)刷新(Auto Refresh，簡(jiǎn)稱AR)與自刷新(Self Refresh，簡(jiǎn)稱SR)。不論是何種刷新方式，都不需要外部提供行地址信息，因?yàn)檫@是一個(gè)內(nèi)部的自動(dòng)操作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

移動(dòng)SDRAM接口設(shè)計(jì)包括四個(gè)主要模塊，如圖2所示，即控制接口模塊、CAS延遲、突發(fā)長(zhǎng)度以及地址生成器。下面對(duì)這些模塊進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。



2．1 控制接口模塊

控制接口模塊內(nèi)部是有限狀態(tài)機(jī)(Finite-State Machine，F(xiàn)SM)，有限狀態(tài)機(jī)解釋來(lái)自微處理器的輸入，把相應(yīng)的命令和符合時(shí)序要求的地址發(fā)送給移動(dòng)SDRAM設(shè)備，然后，移動(dòng)SDRAM設(shè)備進(jìn)入相應(yīng)的狀態(tài)，執(zhí)行命令。
有限狀態(tài)機(jī)會(huì)綜合考慮存儲(chǔ)器的時(shí)序要求，以正確的順序產(chǎn)生各種操作指令，在發(fā)出操作指令之前，控制器首先會(huì)給出一個(gè)讀取使能信號(hào)，從數(shù)據(jù)輸入輸出緩存模塊的地址指令中讀取地址指令。控制接口模塊解碼并寄存主機(jī)發(fā)送的命令，把解碼后的空閑、寫、讀、刷新、充電和模式設(shè)置命令和地址信號(hào)送給命令模塊。狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖3所示。



2．2 CAS延遲模塊

CAS延遲通過(guò)模式寄存器配置，CAS延遲模塊的實(shí)質(zhì)是2位遞增計(jì)數(shù)器，這一計(jì)數(shù)器監(jiān)視CAS延時(shí)時(shí)鐘周期數(shù)。它表示讀命令和第一個(gè)輸出數(shù)據(jù)之間延遲的時(shí)鐘周期數(shù)，延時(shí)時(shí)鐘周期數(shù)可以是二或三個(gè)時(shí)鐘周期。圖4分別給出CAS=3時(shí)的數(shù)據(jù)輸出時(shí)序。

2位遞增計(jì)數(shù)器的輸入輸出如下：

clk是輸入的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)自微控制器，reset輸入的異步復(fù)位信號(hào)，count_en輸入的計(jì)數(shù)使能信號(hào)，count輸出的CAS延遲數(shù)。系統(tǒng)不復(fù)位的情況下在計(jì)數(shù)使能有效時(shí)當(dāng)時(shí)鐘上升沿到來(lái)CAS延遲增加。

2．3 突發(fā)長(zhǎng)度模塊

突發(fā)長(zhǎng)度也使在模式寄存器中設(shè)置的，它的內(nèi)部實(shí)質(zhì)是4位遞增計(jì)數(shù)器，這一計(jì)數(shù)器監(jiān)視讀寫突發(fā)工作時(shí)的時(shí)鐘周期數(shù)，原理與2位遞增計(jì)數(shù)器相同。

突發(fā)長(zhǎng)度可以是1、2、4或者8，突發(fā)(Burst)是指在同一行中相鄰的存儲(chǔ)單元連續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞剑B續(xù)傳輸所涉及到存儲(chǔ)單元(列)的數(shù)量就是突發(fā)長(zhǎng)度。

2．4 地址轉(zhuǎn)換模塊

地址發(fā)生器將微處理器提供的地址按照要求的格式映射到移動(dòng)SDRAM設(shè)備上。命令模塊接收控制接口模塊輸入的解碼后的命令和刷新控制單元發(fā)出的刷新請(qǐng)求命令，產(chǎn)生合適的SDRAM操作命令。
該模塊包含一個(gè)簡(jiǎn)單的仲裁邏輯單元，仲裁主接口和刷新單元發(fā)出的命令，刷新請(qǐng)求的優(yōu)先級(jí)最高。當(dāng)刷新單元和主接口同時(shí)發(fā)出命令時(shí)，仲裁單元掛起主接口的命令直到刷新操作執(zhí)行完畢；若主接口發(fā)出的命令正在執(zhí)行時(shí)，仲裁單元掛起刷新命令直至正在處理的操作執(zhí)行結(jié)束。仲裁單元接收控制接口模塊發(fā)出的命令后，命令產(chǎn)生單元根據(jù)接收到的命令產(chǎn)生合適的SDRAM控制信號(hào)。命令產(chǎn)生單元基于三個(gè)移位寄存器產(chǎn)生正確的時(shí)序：第一個(gè)寄存器控制SDRAM激活命令的時(shí)序；第二個(gè)寄存器控制SDRAM讀寫時(shí)的時(shí)序；第3個(gè)用于產(chǎn)生命令延時(shí)，以便決定所請(qǐng)求的命令是否執(zhí)行完畢。它根據(jù)狀態(tài)分別產(chǎn)生塊和行列地址，并傳送到移動(dòng)SDRAM設(shè)備上。

地址發(fā)生器的輸入輸出如下：

clk是系統(tǒng)的主時(shí)鐘輸入，addr是輸入的地址信號(hào)，pr_state是輸入的當(dāng)前狀態(tài)，這3個(gè)信號(hào)均由微控制器提供。地址發(fā)生器接收來(lái)自微控制器的命令，把命令轉(zhuǎn)換成SDRAM能夠理解的狀態(tài)信號(hào)，地址發(fā)生器根據(jù)狀態(tài)信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的地址選擇SDRAM的行或列進(jìn)行操作。

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

選擇ALTERA公司MAXⅡ系列的EPM1240芯片，用CPLD方式實(shí)現(xiàn)SDRAM接口。接口仿真時(shí)序圖如圖5所示。

SDRAM接口仿真波形圖如圖5所示，其中sd_clk_97為操作SDRAM的時(shí)鐘，sd_cke_98，sd_csn_99，sd_casn_103，sd_rasn_105，sd_wen_106分別為時(shí)鐘使能信號(hào)，片選信號(hào)，列選通信號(hào)，行選通信號(hào)和讀寫使能信號(hào)。sd_ba是SDRAM的2位Bank地址線，sd_a_是SDRAM的13根地址線。data為SDRAM的16位輸入／輸出雙向數(shù)據(jù)線。

4 結(jié)論

在SDRAM的接口設(shè)計(jì)中，刷新的實(shí)現(xiàn)一直是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。選用CPLD產(chǎn)生控制SDRAM的時(shí)序，實(shí)現(xiàn)對(duì)SDRAM的各種操作。應(yīng)用Verilog語(yǔ)言和QuartusⅡ軟件實(shí)現(xiàn)了SDRAM的接口設(shè)計(jì)，在QuartusⅡ軟件環(huán)境下模擬了STM32系列單片機(jī)對(duì)SDRAM的讀寫操作時(shí)序，讀寫速度達(dá)到100MHz，可以在STM32系列單片機(jī)擴(kuò)展64 MBit的SDRAM，其中SDRAM的地址線為13根(行地址線13根，列地址線9根)，Bank地址線2根，數(shù)據(jù)線16根。