基于CPLD的SDRAM控制器的設計

數(shù)據(jù)采集處理技術是現(xiàn)代信號處理的基礎，廣泛應用于雷達、聲納、軟件無線電、瞬態(tài)信號測試等領域。隨著信息科學的飛速發(fā)展，人們面臨的信號處理任務越來越繁重，對數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的要求也越來越高。近年來復雜可編程邏輯器件(Complex Programable Logic Dev ice，CPLD)由于其設計靈活性、更強的適應性及可重構性，結合同步動態(tài)隨機訪問存儲器(Synchronous Dynamic Random Access Memory，SDRAM)的高速、大容量、價格優(yōu)勢，在設計高速實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時受到了廣泛的關注。SDRAM(同步動態(tài)隨機訪問存儲器)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。

1 SDRAM的基本操作

SDRAM稱為同步動態(tài)隨機存儲器，同步是指其時鐘頻率與CPU前端總線的系統(tǒng)時鐘頻率相同，SDRAM可以使所有的輸入輸出信號保持與系統(tǒng)時鐘同步，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；動態(tài)是指存儲陣列需要不斷刷新來保證數(shù)據(jù)不丟失；隨機是指數(shù)據(jù)不是線性依次存儲，而是自由指定地址進行數(shù)據(jù)的讀寫。由于SDRAM為了提高存儲容量，采用硅片電容來存儲信息，隨著時間的推移，必須給電容重新充電和刷新來保持電容里的數(shù)據(jù)信息。

在對SDRAM進行存取數(shù)據(jù)操作之前，首先要對其初始化，即設置SDRAM的普通模式寄存器和擴展模式寄存器，確定SDRAM的工作方式，這些設置包括突發(fā)長度、突發(fā)類型、CAS潛伏期和工作模式的設置。在SDRAM芯片內(nèi)部有一個邏輯控制單元，并且有一個模式寄存器為其提供控制參數(shù)。因此，每次開機時SDRAM都要先對這個控制邏輯核心進行初始化。初始化過程如圖1所示。



1．1 模式寄存器的設置

Mode Register Set：模式寄存器設置，是指對SDRAM的工作方式做一定義，對寄存器的設置，可以在每次系統(tǒng)啟動時，也可以在每次存取之間進行，當SDRAM掉電時，系統(tǒng)重新啟動后必須重寫模式寄存器。其空間安排如下表1所示：

Burst Length：決定當接受到一個讀寫信號時可以讀取的最大的列數(shù)目，對于連續(xù)讀取模式，其值可以為1，2，4，8或整頁(full page)，當為隔行讀取模式是，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：決定當一個讀信號有效到第一個數(shù)值在數(shù)據(jù)線上有效時之間的間隔延遲時間，延遲時間可以設定為1，2或3個時鐘周期。例如：如果延遲時間為m，讀信號在n時刻有效，那么數(shù)據(jù)將在第m+n個時鐘信號有效，如果相應的讀取時間適合的話，而在m+n-1時刻數(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A9=0時，有A0-A2決定的Burst Length適合于讀和寫兩種操作。而當A9=1時，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，為以后的擴展使用。

1．2 預充電

由于SDRAM的尋址具有獨占性，所以在進行完讀寫操作后，如果要對同一L-Bank的另一行進行尋址，就要將原來有效(工作)的行關閉，重新發(fā)送行／列地址。L-Bank關閉現(xiàn)有工作行，準備打開新行的操作就是預充電(Precharge)。預充電可以通過命令控制，也可以通過輔助設定讓芯片在每次讀寫操作之后自動進行預充電。實際上，預充電是一種對工作行中所有存儲體進行數(shù)據(jù)重寫，并對行地址進行復位，同時釋放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，因為S-AMP是通過一個參考電壓與存儲體位線電壓的比較來判斷邏輯值的)，以準備新行的工作。具體而言，就是將S-AMP中的數(shù)據(jù)回寫，即使是沒有工作過的存儲體也會因行選通而使存儲電容受到干擾，所以也需要S-AMP進行讀后重寫。此時，電容的電量(或者說其產(chǎn)生的電壓)將是判斷邏輯狀態(tài)的依據(jù)(讀取時也需要)，為此要設定一個臨界值，一般為電容電量的1／2，超過它的為邏輯1，進行重寫，否則為邏輯0，不進行重寫(等于放電)。為此，現(xiàn)在基本都將電容的另一端接入一個指定的電壓(即1／2電容電壓)，而不是接地，以幫助重寫時的比較與判斷。

1．3 刷新

SDRAM之所以稱為同步動態(tài)隨機存儲器，就是因為它要不斷進行刷新(Refresh)才能保留住數(shù)據(jù)，因此它是SDRAM最重要的操作。刷新操作與預充電中重寫的操作一樣，都是用S-AMP先讀再寫。進行預充電操作還要進行刷新的原因：因為預充電是對一個或所有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，依次對所有行進行操作，以保留那些久久沒經(jīng)歷重寫的存儲體中的數(shù)據(jù)。但與所有L-Bank預充電不同的是，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。
目前公認的標準是，存儲體中電容的數(shù)據(jù)有效保存期上限是64 ms，也就是說每一行刷新的循環(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的標識，這里的4096與8192就代表這個芯片中每個L-Bank的行數(shù)。刷新命令一次對一行有效，發(fā)送間隔也是隨總行數(shù)而變化，4096行時為0．625 ps，8192行時就為7．812 5 ps。刷新操作分為兩種：自動刷新(Auto Refresh，簡稱AR)與自刷新(Self Refresh，簡稱SR)。不論是何種刷新方式，都不需要外部提供行地址信息，因為這是一個內(nèi)部的自動操作。

2 系統(tǒng)硬件設計

移動SDRAM接口設計包括四個主要模塊，如圖2所示，即控制接口模塊、CAS延遲、突發(fā)長度以及地址生成器。下面對這些模塊進行簡要介紹。



2．1 控制接口模塊

控制接口模塊內(nèi)部是有限狀態(tài)機(Finite-State Machine，F(xiàn)SM)，有限狀態(tài)機解釋來自微處理器的輸入，把相應的命令和符合時序要求的地址發(fā)送給移動SDRAM設備，然后，移動SDRAM設備進入相應的狀態(tài)，執(zhí)行命令。
有限狀態(tài)機會綜合考慮存儲器的時序要求，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，控制器首先會給出一個讀取使能信號，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?？刂平涌谀K解碼并寄存主機發(fā)送的命令，把解碼后的空閑、寫、讀、刷新、充電和模式設置命令和地址信號送給命令模塊。狀態(tài)機的狀態(tài)轉換如圖3所示。



2．2 CAS延遲模塊

CAS延遲通過模式寄存器配置，CAS延遲模塊的實質是2位遞增計數(shù)器，這一計數(shù)器監(jiān)視CAS延時時鐘周期數(shù)。它表示讀命令和第一個輸出數(shù)據(jù)之間延遲的時鐘周期數(shù)，延時時鐘周期數(shù)可以是二或三個時鐘周期。圖4分別給出CAS=3時的數(shù)據(jù)輸出時序。

2位遞增計數(shù)器的輸入輸出如下：

clk是輸入的時鐘信號來自微控制器，reset輸入的異步復位信號，count_en輸入的計數(shù)使能信號，count輸出的CAS延遲數(shù)。系統(tǒng)不復位的情況下在計數(shù)使能有效時當時鐘上升沿到來CAS延遲增加。

2．3 突發(fā)長度模塊

突發(fā)長度也使在模式寄存器中設置的，它的內(nèi)部實質是4位遞增計數(shù)器，這一計數(shù)器監(jiān)視讀寫突發(fā)工作時的時鐘周期數(shù)，原理與2位遞增計數(shù)器相同。

突發(fā)長度可以是1、2、4或者8，突發(fā)(Burst)是指在同一行中相鄰的存儲單元連續(xù)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，連續(xù)傳輸所涉及到存儲單元(列)的數(shù)量就是突發(fā)長度。

2．4 地址轉換模塊

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SDRAM設備上。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)出的刷新請求命令，產(chǎn)生合適的SDRAM操作命令。
該模塊包含一個簡單的仲裁邏輯單元，仲裁主接口和刷新單元發(fā)出的命令，刷新請求的優(yōu)先級最高。當刷新單元和主接口同時發(fā)出命令時，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，仲裁單元掛起刷新命令直至正在處理的操作執(zhí)行結束。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。命令產(chǎn)生單元基于三個移位寄存器產(chǎn)生正確的時序：第一個寄存器控制SDRAM激活命令的時序；第二個寄存器控制SDRAM讀寫時的時序；第3個用于產(chǎn)生命令延時，以便決定所請求的命令是否執(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SDRAM設備上。

地址發(fā)生器的輸入輸出如下：

clk是系統(tǒng)的主時鐘輸入，addr是輸入的地址信號，pr_state是輸入的當前狀態(tài)，這3個信號均由微控制器提供。地址發(fā)生器接收來自微控制器的命令，把命令轉換成SDRAM能夠理解的狀態(tài)信號，地址發(fā)生器根據(jù)狀態(tài)信號產(chǎn)生相應的地址選擇SDRAM的行或列進行操作。

3 系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

選擇ALTERA公司MAXⅡ系列的EPM1240芯片，用CPLD方式實現(xiàn)SDRAM接口。接口仿真時序圖如圖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的時鐘，sd_cke_98，sd_csn_99，sd_casn_103，sd_rasn_105，sd_wen_106分別為時鐘使能信號，片選信號，列選通信號，行選通信號和讀寫使能信號。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 結論

在SDRAM的接口設計中，刷新的實現(xiàn)一直是一個關鍵問題。選用CPLD產(chǎn)生控制SDRAM的時序，實現(xiàn)對SDRAM的各種操作。應用Verilog語言和QuartusⅡ軟件實現(xiàn)了SDRAM的接口設計，在QuartusⅡ軟件環(huán)境下模擬了STM32系列單片機對SDRAM的讀寫操作時序，讀寫速度達到100MHz，可以在STM32系列單片機擴展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。