基于FPGA的DDR SDRAM控制器在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　引言

　　DDR SDRAM是Double Data Rate SDRAM的縮寫(xiě)，即雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。DDR內(nèi)存是在SDRAM內(nèi)存基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，能夠在時(shí)鐘的上升沿和下降沿各傳輸一次數(shù)據(jù)，可以在與SDRAM相同的總線時(shí)鐘頻率下達(dá)到更高的數(shù)據(jù)傳輸率。

　　本設(shè)計(jì)中采用Altera公司Cyclone系列型號(hào)為EP1C6Q240C8的FPGA實(shí)現(xiàn)控制器，以Hynix公司生產(chǎn)的型號(hào)為HY5DU121622B(L)TP的DDR SDRAM為存儲(chǔ)器，完成了對(duì)數(shù)據(jù)的高速大容量存儲(chǔ)。

　　DDR SDRAM的控制原理及存儲(chǔ)功能的實(shí)現(xiàn)

　　DDR SDRAM支持的常用命令有7種：空操作(NOP)、激活操作(Active)、突發(fā)讀(Burst Read)、突發(fā)寫(xiě)(Burst Write)、自動(dòng)刷新(Autorefresh)、預(yù)充電(Precharge)、模式寄存器配置(Mode Register Set)。所有的操作命令都是通過(guò)信號(hào)線RAS_N、CAS_N、WE_N共同控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

　　在對(duì)DDR 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DDR SDRAM的普通模式寄存器和擴(kuò)展模式寄存器，確定DDR SDRAM的工作方式，這些設(shè)置包括突發(fā)長(zhǎng)度、突發(fā)類(lèi)型、CAS潛伏期和工作模式以及擴(kuò)展模式寄存器中的對(duì)DDR SDRAM內(nèi)部延遲鎖定回路(DLL)的使能與輸出驅(qū)動(dòng)能力的設(shè)置。

　　初始化完成之后，DDR SDRAM便進(jìn)入正常的工作狀態(tài)，此時(shí)便可對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)和刷新。DDR SDRAM在一對(duì)差分時(shí)鐘的控制下工作。命令(地址和控制信號(hào))在每個(gè)時(shí)鐘的上升沿被觸發(fā)。隨著數(shù)據(jù)DQ一起傳送的還包括一個(gè)雙向的數(shù)據(jù)選通信號(hào)DQS，接收方通過(guò)該信號(hào)來(lái)接收數(shù)據(jù)。DQS作為選通信號(hào)在讀周期中由DDR SDRAM產(chǎn)生，在寫(xiě)周期中由存儲(chǔ)器的控制器產(chǎn)生。該選通信號(hào)與數(shù)據(jù)相關(guān)，其作用類(lèi)似于一個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘，并滿(mǎn)足相應(yīng)的時(shí)序要求。由于DDR SDRAM的數(shù)據(jù)接口在時(shí)鐘的兩個(gè)沿的觸發(fā)下工作，其數(shù)據(jù)寬度是存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寬度的一半。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的大容量存儲(chǔ)，設(shè)計(jì)時(shí)采用的是一個(gè)控制核同時(shí)對(duì)兩片DDR SDRAM進(jìn)行操作，外接數(shù)據(jù)線的寬度由單片DDR SDRAM的16 位擴(kuò)展到32位。

　　對(duì)DDR SDRAM的讀和寫(xiě)操作是基于突發(fā)的，即從一個(gè)選定的地址單元開(kāi)始，連續(xù)存取已設(shè)置長(zhǎng)度的地址單元，該長(zhǎng)度就是所謂的突發(fā)長(zhǎng)度。DDR SDRAM提供的可編程的讀或?qū)懙耐话l(fā)長(zhǎng)度為2，4或8。數(shù)據(jù)的存取以一個(gè)激活命令(Active)開(kāi)始，接著便是讀(Burst Read)或?qū)?Burst Write)命令。與激活命令一起被觸發(fā)的地址位用來(lái)選擇將要存取的區(qū)和頁(yè)(或行)，與讀或?qū)懨钜黄鸨挥|發(fā)的地址位用來(lái)選擇突發(fā)存取的起始列單元。讀命令被觸發(fā)后，數(shù)據(jù)將在1.5～3個(gè)時(shí)鐘周期之后出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上。這個(gè)延遲就是所謂的CAS潛伏期(CAS latency)，即從DDR SDRAM內(nèi)核讀出數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上所需要的時(shí)間。CAS潛伏期的大小與SDRAM的速度和存儲(chǔ)器的時(shí)鐘頻率有關(guān)。當(dāng)要存取一個(gè)不同行的地址單元時(shí)，需要通過(guò)一個(gè)預(yù)充電(Precharge)操作關(guān)閉當(dāng)前行。自動(dòng)刷新(Autorefresh)命令用來(lái)周期性地刷新DDR SDRAM，以保持其內(nèi)部的數(shù)據(jù)不丟失。

　　DDR SDRAM控制器的設(shè)計(jì)

　　DDR SDRAM控制器的功能包括：(1)初始化DDR SDRAM；(2)簡(jiǎn)化DDR SDRAM的讀寫(xiě)時(shí)序；(3)將DDR SDRAM接口的雙時(shí)鐘沿?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為單時(shí)鐘沿?cái)?shù)據(jù)，使得對(duì)DDR SDRAM的操作類(lèi)似于普通RAM；(4)控制器還要產(chǎn)生周期性的刷新命令來(lái)維持DDR SDRAM內(nèi)的數(shù)據(jù)而不丟失。其控制轉(zhuǎn)換圖如圖1所示。

　　在對(duì)DDR SDRAM初始化完成之后，就可進(jìn)行讀、寫(xiě)或其他操作。在執(zhí)行讀(寫(xiě))命令之前，先要激活將要讀(寫(xiě))的行，之后便可對(duì)該行進(jìn)行突發(fā)讀(寫(xiě))。在控制器的設(shè)計(jì)中，所有的讀寫(xiě)命令都是不帶預(yù)充電的，因此，某一行被激活之后將一直處于激活狀態(tài)，直到用戶(hù)發(fā)送突發(fā)終止命令，此時(shí)控制器將自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)預(yù)充電命令來(lái)關(guān)閉當(dāng)前行。這樣，某一行被激活之后用戶(hù)便可進(jìn)行連續(xù)的突發(fā)讀(寫(xiě))操作，從而節(jié)省了每次突發(fā)讀寫(xiě)所需要的激活時(shí)間，提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐率。

　　DDR SDRAM的讀操作流程

　　通過(guò)對(duì)DDR SDRAM的讀時(shí)序的分析，將整個(gè)讀操作過(guò)程分解為7個(gè)狀態(tài)，每一個(gè)狀態(tài)都對(duì)應(yīng)著不同的命令(CMD)值，DDR控制核通過(guò)對(duì)CMD的譯碼完成對(duì)DDR SDRAM的操作。從整體的控制過(guò)程來(lái)看，讀操作流程如圖2所示。其中實(shí)線表示的是讀操作的控制流程，虛線表示的讀操作的狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程?？刂屏鞒痰膶?shí)現(xiàn)依賴(lài)于控制器內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的控制信號(hào)。實(shí)現(xiàn)各狀態(tài)之間切換的控制信號(hào)主要有命令應(yīng)答信號(hào)CMDACK，外部控制信號(hào)RDREQ以及程序內(nèi)部的計(jì)數(shù)器Count_READ。當(dāng)系統(tǒng)的主狀態(tài)機(jī)進(jìn)入到讀數(shù)據(jù)狀態(tài)時(shí)，控制信號(hào)CBE=“010”；控制器內(nèi)部的狀態(tài)機(jī)進(jìn)入到讀狀態(tài)。讀流程中另一個(gè)重要的信號(hào)為RDREQ，它是由控制器后端的緩存(FIFO)產(chǎn)生的，當(dāng)緩存中數(shù)據(jù)容量低于設(shè)定值時(shí)，信號(hào)RDREQ被置高，讀狀態(tài)由PRE_NOP進(jìn)入READA，發(fā)起一次讀操作，完成8個(gè)數(shù)據(jù)的傳送。程序內(nèi)部的計(jì)數(shù)器Count_READ保證控制核在經(jīng)過(guò)設(shè)定的CAS潛伏期后從數(shù)據(jù)總線上讀取數(shù)據(jù)。

　　DDR SDRAM的寫(xiě)操作流程

　　在對(duì)DDR SDRAM的寫(xiě)操作中，同樣以狀態(tài)機(jī)完成其時(shí)序控制，狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3所示。

　　每發(fā)起一次寫(xiě)操作，DDR SDRAM存儲(chǔ)8 個(gè)16位的數(shù)據(jù)，其中控制信號(hào)FULL由前端數(shù)據(jù)緩存(FIFO)產(chǎn)生，當(dāng)前端緩存中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定的深度時(shí)，F(xiàn)ULL被置為高，控制核以100MHz的時(shí)鐘從緩存中讀取寬度為32位的數(shù)據(jù)，當(dāng)緩存內(nèi)部的讀計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到4時(shí)，F(xiàn)ULL信號(hào)置低，控制器的讀操作停止。讀出的4個(gè)32位數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)控制核內(nèi)部的數(shù)據(jù)路徑模塊轉(zhuǎn)換成DDR SDRAM接口的16位數(shù)據(jù)格式，在DDR控制接口模塊產(chǎn)生的時(shí)序配合下以雙倍速率完成一次突發(fā)寫(xiě)。

　　DDR SDRAM控制器的FPGA實(shí)現(xiàn)

　　控制電路主狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

　　主狀態(tài)機(jī)用于控制整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作流程。各功能模塊的配合，命令的發(fā)送，數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和傳輸都需要狀態(tài)機(jī)來(lái)協(xié)調(diào)并嚴(yán)格控制時(shí)序關(guān)系。其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖4所示。

　　控制器上電或復(fù)位時(shí)進(jìn)入IDLE 狀態(tài)，其中LA和LD分別為PCI局部總線的地址線和數(shù)據(jù)線，上位機(jī)的發(fā)送的命令通過(guò)PCI總線及接口芯片傳送到PCI局部總線，其中地址線的變化將引起狀態(tài)機(jī)內(nèi)部的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，狀態(tài)轉(zhuǎn)換的同時(shí)，相應(yīng)的配置字將出現(xiàn)在數(shù)據(jù)線上。配置完參數(shù)之后，轉(zhuǎn)態(tài)機(jī)進(jìn)入等待數(shù)據(jù)狀態(tài)(WAIT_DATA),當(dāng)觸發(fā)信號(hào)滿(mǎn)足要求之后(TRG=‘1’)，自動(dòng)進(jìn)入到保存數(shù)據(jù)狀態(tài)(SAVE_DATA)，在此狀態(tài)下，控制程序開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。指定存儲(chǔ)深度的數(shù)據(jù)采集完成后，主狀態(tài)機(jī)自動(dòng)進(jìn)入等待讀數(shù)據(jù)狀態(tài)，在接受到地址線上的狀態(tài)轉(zhuǎn)換命令后，分別進(jìn)入讀取A通道和B通道數(shù)據(jù)的狀態(tài)。數(shù)據(jù)讀完之后，上位機(jī)發(fā)送命令使?fàn)顟B(tài)返回到IDLE狀態(tài)。

　　DDR SDRAM控制器各模塊結(jié)構(gòu)圖

　　系統(tǒng)的頂層文件DATA_SAMPLE的結(jié)構(gòu)如圖5所示，FPGA內(nèi)置的主要有前端緩存模塊DATATO_RAM、后端緩存模塊TO_LD和DDR SDRAM的控制模塊SDRAM。從數(shù)據(jù)流程上看，前端緩存將雙路AD采集到的數(shù)據(jù)合并成64位，當(dāng)緩存中的數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定的存儲(chǔ)深度時(shí)，控制模塊在100MHz的時(shí)鐘下將數(shù)據(jù)讀出，并將64位數(shù)據(jù)拆分成32位分別存儲(chǔ)到兩片DDR SDRAM中。進(jìn)入到讀狀態(tài)時(shí)，控制模塊同時(shí)從兩片DDR SDRAM中讀出32位的數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶(hù)所選擇的數(shù)據(jù)通道，控制邏輯將相應(yīng)的數(shù)據(jù)送入后端緩存中，后端緩存再將數(shù)據(jù)拆分成16位，通過(guò)PCI局部總線傳送到上位機(jī)中。從控制流程上看，DATATO_RAM和TO_LD中都設(shè)置了數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器，當(dāng)DATATO_RAM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量超過(guò)設(shè)定值時(shí)，讀使能RDEN有效，控制模塊從緩存中一次讀取4個(gè)數(shù)據(jù)。后端緩存的控制方式與此類(lèi)似。

　　控制模塊SDRAM 由兩部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。其中ADDR為地址產(chǎn)生模塊，給控制核ddr_sdram提供數(shù)據(jù)操作的行地址和列地址?？刂坪薲dr_sdram完成的功能包括將內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的CMD控制命令譯碼成DDR SDRAM所能實(shí)現(xiàn)的各種操作并實(shí)現(xiàn)以雙倍的速率與DDR SDRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口。ddr_sdram的結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

　　控制核ddr_sdram采用自頂而下模塊化的設(shè)計(jì)方法，由4個(gè)模塊構(gòu)成：ddr_sdram頂層模塊、控制接口模塊、命令模塊和數(shù)據(jù)路徑模塊。ddr_sdram頂層模塊初始化并把其余三個(gè)模塊有機(jī)地結(jié)合起來(lái)；控制接口模塊接收CMD命令和相關(guān)存儲(chǔ)器地址，對(duì)命令進(jìn)行譯碼并將請(qǐng)求發(fā)送給命令模塊；命令模塊接收從控制接口模塊譯碼后的命令和地址，產(chǎn)生相應(yīng)的命令給DDR SDRAM；數(shù)據(jù)路徑模塊在讀命令READA和寫(xiě)命令WRITEA期間處理數(shù)據(jù)交換。

　　控制接口模塊包含1個(gè)命令譯碼器和1 個(gè)16 位的刷新減計(jì)數(shù)器及相應(yīng)的控制電路。 命令譯碼器譯碼并將譯碼后的命令及相應(yīng)的地址轉(zhuǎn)送給命令模塊。減計(jì)數(shù)器和相應(yīng)的控制電路用來(lái)產(chǎn)生刷新命令給命令模塊。其值就是由LOAD_REG2 命令寫(xiě)入到REG2中的值。當(dāng)計(jì)數(shù)器減到0時(shí)，控制接口模塊就向命令模塊發(fā)Request 并一直保持到命令模塊發(fā)Ack來(lái)響應(yīng)該請(qǐng)求。一旦控制接口模塊接收到Ack，減計(jì)數(shù)器就會(huì)重新寫(xiě)入REG2中的值。

　　命令模塊由1個(gè)簡(jiǎn)單的仲裁器、命令發(fā)生器及命令時(shí)序器組成。它接收從控制接口模塊來(lái)的譯碼后的命令，同時(shí)接收刷新控制邏輯發(fā)來(lái)的刷新請(qǐng)求命令并產(chǎn)生正確的命令給DDR SDRAM。仲裁器在控制接口發(fā)來(lái)的命令和刷新控制邏輯發(fā)來(lái)的刷新請(qǐng)求命令之間進(jìn)行仲裁。刷新請(qǐng)求命令的優(yōu)先級(jí)高于控制接口來(lái)的命令。在仲裁器收到命令譯碼器發(fā)來(lái)的命令后，該命令就傳送到命令發(fā)生器，命令時(shí)序器即用3個(gè)移位寄存器產(chǎn)生正確的命令時(shí)序后發(fā)給DDR SDRAM。1個(gè)移位寄存器用來(lái)控制激活命令時(shí)序，1個(gè)用來(lái)控制READA和WRITEA命令，1個(gè)用來(lái)計(jì)時(shí)操作命令的持續(xù)時(shí)間，為仲裁器確定最后的請(qǐng)求操作是否完成。

　　數(shù)據(jù)路徑模塊提供了DDR SDRAM到FPGA的數(shù)據(jù)通道。在和DDR SDRAM接口的一方，數(shù)據(jù)路徑模塊將從DDR SDRAM過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)總線寬度翻倍，并在200MHz的時(shí)鐘頻率接收DDR SDRAM在100MHz時(shí)鐘的上下沿送出的數(shù)據(jù)。在和FPGA接口的一方，數(shù)據(jù)路徑模塊將從FPGA送來(lái)的數(shù)據(jù)寬度減半并以2倍的速率送給DDR SDRAM。

　　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能及結(jié)果分析

　　邏輯分析儀SignalTap II是Quartus II軟件中集成的一個(gè)內(nèi)部邏輯分析軟件，使用它可以觀察本設(shè)計(jì)的內(nèi)部信號(hào)波形。在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和仿真完成之后，將編譯后的文件下載到系統(tǒng)的硬件中，對(duì)DDR SDRAM控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移和讀寫(xiě)流程中各個(gè)信號(hào)進(jìn)行了實(shí)時(shí)的采集與顯示。
如圖8所示，是控制器讀數(shù)據(jù)時(shí)嵌入式邏輯分析儀采集到的波形圖。第9行到第15行的信號(hào)顯示的是讀流程中各狀態(tài)之間的切換過(guò)程。讀命令發(fā)出之后，經(jīng)過(guò)CAS潛伏期，DDR SDRAM突發(fā)傳輸8個(gè)數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生選通信號(hào)DQS?？刂破髟谧x到數(shù)據(jù)線DQ上的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)寬度加倍，傳送到后端緩存中。

　　寫(xiě)數(shù)據(jù)的波形圖如圖9所示，當(dāng)主狀態(tài)機(jī)在SAVE_DATA狀態(tài)時(shí)，DDR SDRAM從控制器的數(shù)據(jù)總線上一次存儲(chǔ)8個(gè)數(shù)據(jù)。圖中的選通信號(hào)HI_LO是由控制器產(chǎn)生的，在信號(hào)的上升沿和下降沿存儲(chǔ)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)，存滿(mǎn)8個(gè)完成一次寫(xiě)操作。直到前端緩存的讀使能信號(hào)有效時(shí)，控制器從前端緩存讀取數(shù)據(jù)，并發(fā)起下一次寫(xiě)操作。

　　將所設(shè)計(jì)的控制器用于最高采樣速率為10MHz的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，DDR SDRAM工作的差分時(shí)鐘為100MHz，容量為32MByte，系統(tǒng)運(yùn)行性能良好，能夠較好的完成DDR SDRAM與AD轉(zhuǎn)換模塊，PCI總線接口模塊之間的數(shù)據(jù)交換。圖10為數(shù)據(jù)采集卡對(duì)10kHz正弦信號(hào)采樣的波形。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本設(shè)計(jì)在深入了解DDR SDRAM工作原理的基礎(chǔ)上，確定了DDR SDRAM控制器的總體方案和模塊化設(shè)計(jì)方法。用FPGA實(shí)現(xiàn)的DDR SDRAM的控制器能在很高的速度下完成數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)和復(fù)雜的控制操作，工作可靠。該控制器解決了DDR SDRAM用于高速數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，對(duì)增加數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的緩存容量具有一定意義。