SDRAM控制器的設(shè)計與VHDL實現(xiàn)

在高速實時或者非實時信號處理系統(tǒng)當(dāng)中，使用大容量存儲器實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存是一個必不可少的環(huán)節(jié), 也是系統(tǒng)實現(xiàn)中的重點和難點之一。SDRAM(同步動態(tài)隨機(jī)訪問存儲器)具有價格低廉、密度高、數(shù)據(jù)讀寫速度快的優(yōu)點，從而成為數(shù)據(jù)緩存的首選存儲介質(zhì)。但是SDRAM存儲體結(jié)構(gòu)與RAM有較大差異，其控制時序和機(jī)制也較復(fù)雜，限制了SDRAM的使用。目前，雖然一些通用微處理器提供了和SDRAM的透明接口，但其可擴(kuò)展性和靈活性不夠，難以滿足現(xiàn)實系統(tǒng)的要求，限制了SDRAM的使用。

在詳細(xì)閱讀SDRAM數(shù)據(jù)文檔的前提下，參考ALTERA公司的IP core，利用可編程器件(CPLD，F(xiàn)PGA)設(shè)計了一種通用的SDRAM控制器。它具有很高的靈活性，可以方便地和其它數(shù)據(jù)緩存接口電路進(jìn)行連接，被成功地應(yīng)用在無線中頻數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)中，如圖1所示。在該系統(tǒng)中，以SDRAM存儲陣列緩存中頻來的高速數(shù)據(jù)。存滿后，數(shù)據(jù)被慢速讀出至數(shù)據(jù)處理模塊。下面將對SDRAM控制模塊的設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)的描述。

1 SDRAM內(nèi)存條的結(jié)構(gòu)

SDRAM內(nèi)存條由SDRAM內(nèi)存芯片構(gòu)成，根據(jù)內(nèi)存條的容量大小決定內(nèi)存條上內(nèi)存芯片的個數(shù)?，F(xiàn)以MICRON公司生產(chǎn)的MIT16LSDT6464A型SDRAM內(nèi)存條為例，簡要介紹SDRAM的結(jié)構(gòu)。

MIT16LSDT6464A內(nèi)存條容量為512M Byte，由16片容量為32M Byte的內(nèi)存芯片MT48LC32M8A2構(gòu)成。16片內(nèi)存芯片被分為兩組，每個芯片的數(shù)據(jù)位寬為8bit。8片一組，64bit數(shù)據(jù)寬度。每個內(nèi)存芯片的數(shù)據(jù)線和控制線均是復(fù)用的。對內(nèi)存條的讀寫操作，是以內(nèi)存芯片組為單位的，通過內(nèi)存條的片選信號S0、S1、S2、S3決定組號。S0、S2控制芯片組1，S1、S3控制芯片組2。

SDRAM內(nèi)存芯片的主要信號有控制信號、地址信號、數(shù)據(jù)信號，均為工作時鐘同步輸入、輸出信號。

控制信號主要有：CS(片選信號)，CKE(時鐘使能信號)，DQM(輸入、輸出使能信號)，CAS、RAS、WE(讀寫控制命令字)。通過CAS、RAS、WE的各種邏輯組合，可產(chǎn)生各種控制命令(見表1)。

　 地址信號有：BA0和BA1頁地址選擇信號，A0～A12地址信號，行、列地址選擇信號。通過分時復(fù)用決定地址是行地址還是列地址。在讀寫操作中，在地址線上依次給出頁地址、行地址、列地址，最終確定存儲單元地址。
數(shù)據(jù)信號有：DQ0～DQ7，雙向數(shù)據(jù)。其使能受DQM控制。
SDRAM的工作模式通過LOAD MODE REGISTER命令對工作模式寄存器進(jìn)行設(shè)置來選擇。設(shè)置參量(見表2)有Reserved(備用的人)Write Burst Mode(WB，寫突發(fā)模式)、Operation Mode(Op Mode,工作模式)、CAS Latency(CAS延遲)、Burst Type(BT，突發(fā)類型)、Burst Length(突發(fā)長度)。


2 SDRAM的基本讀寫操作

SDRAM的基本讀操作需要控制線和地址線相配合地發(fā)出一系列命令來完成。先發(fā)出BANK激活命令(ACTIVE)，并鎖存相應(yīng)的BANK地址(BA0、BA1給出)和行地址(A0～A12給出)。BANK激活命令后必須等待大于tRCD(SDRAM的RAS到CAS的延遲指標(biāo))時間后，發(fā)出讀命令字。CL(CAS延遲值)個工作時鐘后，讀出數(shù)據(jù)依次出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上。在讀操作的最后，要向SDRAM發(fā)出預(yù)充電(PRECHARGE)命令，以關(guān)閉已經(jīng)激活的頁。等待tRP時間(PRECHARGE命令后，相隔tRP時間，才可再次訪問該行)后，可以開始下一次的讀、寫操作。SDRAM的讀操作只有突發(fā)模式(Burst Mode)，突發(fā)長度為1、2、4、8可選。

SDRAM的基本寫操作也需要控制線和地址線相配合地發(fā)出一系列命令來完成。先發(fā)出BANK激活命令(ACTIVE)，并鎖存相應(yīng)的BANK地址(BA0、BA1給出)和行地址(A0～A12給出)。BANK激活命令后必須等待大于tRCD的時間后，發(fā)出寫命令字。寫命令可以立即寫入，需寫入數(shù)據(jù)依次送到DQ(數(shù)據(jù)線)上。在最后一個數(shù)據(jù)寫入后延遲tWR時間，發(fā)出預(yù)充電命令，關(guān)閉已經(jīng)激活的頁。等待tRP時間后，可以展開下一次操作。寫操作可以有突發(fā)寫和非突發(fā)寫兩種。突發(fā)長度同讀操作。

tRCD、tRP、tWR的具體要求，詳見SDRAM廠家提供的數(shù)據(jù)手冊。所等待的工作時鐘個數(shù)由tRCD、tRP、tWR的最小值和工作時鐘周期共同決定。

由以上介紹可以得出，SDRAM的讀、寫操作均由一系列命令組成，因此讀、寫操作是有時鐘損耗的，工作時鐘速率不等于SDRAM能達(dá)到的讀、寫速率。但是由于SDRAM有突發(fā)讀、寫模式，也就是說可以讀出和寫入一串地址連續(xù)的數(shù)據(jù)，從而提高了效率。當(dāng)突發(fā)長度為整頁時，讀、寫速度達(dá)到最快。隨機(jī)讀、寫速度的計算公式為：

fwrite/read=工作時鐘頻率(Hz)×數(shù)據(jù)寬度(bytes)×突發(fā)讀寫長度/操作所需的時鐘數(shù)

為了提高存儲密度，SDRAM采用硅片電容存儲信息。電容總會有漏電流流過，所以為了不使信息丟失，必須定期地給電容刷新充電。外部控制邏輯必須按要求定期向內(nèi)存條發(fā)出刷新命令，保證在規(guī)定的時間內(nèi)對每一個單元都進(jìn)行刷新。

3 初始化操作

SDRAM在上電以后必須對其進(jìn)行初始化操作，具體操作如下：

(1)系統(tǒng)在上電后要等待100～200μs。在等待時間到了以后至少執(zhí)行一條空操作或者指令禁止操作。
(2)對所有芯片執(zhí)行PRECHARGE命令，完成預(yù)充電。
(3)向每組內(nèi)存芯片發(fā)出兩條AUTO REFRESH命令，使SDRAM 芯片內(nèi)部的刷新計數(shù)器可以進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。
(4)執(zhí)行LOAD MODE REGISTER命令，完成對SDRAM工作模式的設(shè)定。

完成以上步驟后，SDRAM進(jìn)入正常工作狀態(tài)，等待控制器對其進(jìn)行讀、寫和刷新等操作。

4 SDRAM控制器設(shè)計

4.1 功能說明

在以SDRAM作為緩存的系統(tǒng)中，使用可編程器件對其進(jìn)行控制具有很強(qiáng)的靈活性。為了使設(shè)計具有模塊化和可重復(fù)使用的優(yōu)點，設(shè)計了一個簡化的SDRAM接口電路。這樣就屏蔽掉了SDRAM操作的復(fù)雜性，而其它邏輯模塊可通過接口電路對SDRAM進(jìn)行訪問。此外，由于整個SDRAM控制器用VHDL語言編寫，只要對其進(jìn)行簡單的修改就可以滿足不同的需求，具有很強(qiáng)的靈活性。

參照圖2，SDRAM控制器完成的主要功能是對CMD[2:0]的命令字和ADDR端的地址進(jìn)行解析，產(chǎn)生相應(yīng)的SDRAM的控制時序。

CLK為輸入的工作時鐘端口。

ADDR為輸入地址端口?？刂破鲗⑵浣馕鰹閷?yīng)的片選、頁以及行、列地址。以一條MIT16LSDT6464A內(nèi)存條為例，其大小為512Mbyte(229 byte)。數(shù)據(jù)位寬為64bit(8byte)，則地址線ADDR應(yīng)為26根?？梢赃@樣映射地址：ADDR[25]對應(yīng)內(nèi)存芯片組號；ADDR[24:23]對應(yīng)頁號；ADDR[22:10]對應(yīng)行號；ADDR[9:0]對應(yīng)列號。

DATAIN為寫入數(shù)據(jù)端口，64bit位寬。
DATAOUT為讀出數(shù)據(jù)端口，64bit位寬。

RD_OE為讀出數(shù)據(jù)使能端口，當(dāng)其為1時，表示從下一個時鐘起，數(shù)據(jù)將依次出現(xiàn)在DATAOUT口上。
WR_OE為寫入數(shù)據(jù)使能端口，當(dāng)其為1時，寫入數(shù)據(jù)應(yīng)該依次出現(xiàn)在DATAIN口上。

CMD[2:0]為命令輸入端口，分別表示讀、寫內(nèi)存等操作，具體編碼見表3。其中，CMD ＝ “000”表示無操作，內(nèi)存條交給控制器管理，定期完成刷新工作；REFRESH命令由外部邏輯指定待刷新的內(nèi)存芯片組號，組號由ADDR的低位給出；LOAD_MODE命令執(zhí)行內(nèi)存條工作寄存器初始化工作，初始化值由DATAIN的低13位決定，內(nèi)存芯片組號同樣由ADDR的低位給出；同理，ADDR的低位也決定了預(yù)充電操作所對應(yīng)的內(nèi)存芯片組號。
CMDACK為命令應(yīng)答端口，表示命令已經(jīng)被執(zhí)行，使外部邏輯可以向控制器發(fā)出下一個動作。

4.2 狀態(tài)機(jī)

圖3是SDRAM控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。狀態(tài)圖中的各個狀態(tài)內(nèi)均包含一系列的子狀態(tài)轉(zhuǎn)移(對SDRAM內(nèi)存條發(fā)出連續(xù)命令)，每個子狀態(tài)完成一個功能操作。初始化操作包括前面介紹的內(nèi)存條初始化全過程，工作寄存器的默認(rèn)值在VHDL程序中指定。以后可以通過LOAD_MODE命令改變內(nèi)存條的工作模式。初始化結(jié)束后，內(nèi)存條進(jìn)入Idel狀態(tài)，刷新計數(shù)器開始工作，控制器開始響應(yīng)外部邏輯的操作請求。

刷新計數(shù)器操作是一個獨立的進(jìn)程(process)。刷新計數(shù)器的初值由內(nèi)存芯片要求、內(nèi)存條個數(shù)和控制器工作頻率共同決定。例如，在本次設(shè)計中，所采用的MT48LC32M8A2內(nèi)存芯片要求在64ms內(nèi)至少刷新8196次。而MIT16LSDT6464A型內(nèi)存條共有兩組內(nèi)存芯片，也就是要求在64ms內(nèi)要發(fā)出8196×2條自刷新(AUTO REFRESH)指令。系統(tǒng)工作時鐘為46.66MHz，因此控制單條MIT16LSDT6464A時，刷新計數(shù)器初值至多為(64ms/8196/2)×46.66MHz，即182。開始工作后，每當(dāng)刷新計數(shù)器值減為0，便依次向內(nèi)存芯片組發(fā)出刷新命令，保證SDRAM中的數(shù)據(jù)不丟失。刷新請求是內(nèi)部請求；讀和寫操作是外部請求。在Idel狀態(tài)中有請求仲裁邏輯，當(dāng)內(nèi)部和外部請求同時出現(xiàn)時，優(yōu)先保證內(nèi)部請求，狀態(tài)轉(zhuǎn)移至刷新操作。當(dāng)刷新操作結(jié)束時，重新返回Idel狀態(tài)，開始響應(yīng)外部請求。響應(yīng)外部請求后，應(yīng)答信號CMDBAK出現(xiàn)正脈沖。它通知外部邏輯，請求已經(jīng)被響應(yīng)，可以撤銷請求。在刷新操作狀態(tài)中，也有計數(shù)器計數(shù)，其大小等于控制器管理的內(nèi)存芯片組號。記錄并判斷此次刷新操作所對應(yīng)的內(nèi)存芯片的組號，產(chǎn)生相應(yīng)的片選信號。

響應(yīng)讀、寫請求后，狀態(tài)從Idel轉(zhuǎn)移到讀、寫狀態(tài)。同時讀、寫地址和寫入的數(shù)據(jù)鎖存至控制器?？刂破饔勺x寫地址解析出CS信號、頁地址、行地址、列地址。向內(nèi)存條發(fā)出一系列命令(ACTIVE，READ/WRITE with AUTO PRECHARGE)，完成讀寫操作。為了簡化，此控制器向SDRAM發(fā)出的都是帶有AUTO PRECHARGE 的讀、寫指令，然后由SDRAM內(nèi)部邏輯自動在讀、寫過程末期發(fā)出PRECHARGE指令(在發(fā)READ/WRITE指令時，地址線A10賦值1，打開AUTO PRECHARGE功能)。圖4和圖5分別是利用該控制器完成讀、寫操作的時序圖。讀操作的CAS延遲為兩個時鐘。

該SDRAM控制器在中頻數(shù)據(jù)海量存儲系統(tǒng)中已得到應(yīng)用。數(shù)據(jù)接收邏輯將接收到的中頻采樣數(shù)據(jù)整理后(拼接成64bit),通過SDRAM控制器存入SDRAM陣列。存滿后，數(shù)據(jù)輸出邏輯將中頻數(shù)據(jù)通過SDRAM控制器從內(nèi)存條中取出，傳輸至上位機(jī)。其VHDL代碼在ATERA公司的FPGA——EP1C6Q240中通過了QuartusII的仿真、綜合和布局、布線。占用499個logic cell，消耗了8％的邏輯資源。留有豐富的資源可提供給其它邏輯單元使用。

上面介紹了SDRAM的基本工作原理和一種簡單的通用SDRAM控制器的實現(xiàn)。SDRAM的控制機(jī)制比較復(fù)雜，具有多種突發(fā)讀、寫方式和工作模式(詳細(xì)內(nèi)容請參考SDRAM的數(shù)據(jù)手冊)。但是，可以根據(jù)實際應(yīng)用，實現(xiàn)其中的一個子集(基本讀、寫、刷新操作)來滿足實際系統(tǒng)的需要。用SDRAM實現(xiàn)大容量的高速數(shù)據(jù)緩存具有明顯的優(yōu)勢，使用可編程器件實現(xiàn)SDRAM控制器則使之具有更高的靈活性，其應(yīng)用前景廣闊。