DDR SDRAM在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用

引言

很多嵌入式系統(tǒng)，特別是應(yīng)用于圖像處理與高速數(shù)據(jù)采集等場(chǎng)合的嵌入式系統(tǒng)，都需要高速緩存大量的數(shù)據(jù)。ddr（double data rate，雙數(shù)據(jù)速率）sdram由于其速度快、容量大，而且價(jià)格便宜，因此能夠很好地滿足上述場(chǎng)合對(duì)大量數(shù)據(jù)緩存的需求。但ddr sdram的接口不能直接與現(xiàn)今的微處理器和dsp的存儲(chǔ)器接口相連，需要在其間插入控制器實(shí)現(xiàn)微處理器或dsp對(duì)存儲(chǔ)器的控制。

隨著密度與性能的不斷提升，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（fpga）已被廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)中。而且，現(xiàn)在很多的fpgas都提供了針對(duì)ddr sdram的接口特性：其輸入輸出引腳都與sstl－ⅱ電氣特性兼容，內(nèi)部提供了ddr觸發(fā)器、鎖相環(huán)等硬件資源。使用這些特性，可以更加容易地設(shè)計(jì)性能可靠的高速ddr sdram存儲(chǔ)器控制器。

1 ddr sdram 在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用

圖1是ddr sdram在高速信號(hào)源系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例。

在該系統(tǒng)中，由fpga的完成各模塊之間的接口控制。fpga接收從前端傳送過來的高速數(shù)字信號(hào)，并將其存儲(chǔ)在ddr sdram中；dsp通過fpga讀取ddr中的數(shù)據(jù)，處理后再送回到ddr sdram，最后由fpga負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分兩路輸出。

該系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)器的要求是能夠高速地存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)，ddr sdram正好能滿足這一要求，此時(shí)，fpga是否能對(duì)ddr sdram進(jìn)行有效控制就成為影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。最后的試驗(yàn)結(jié)果表明，fpga是能夠勝任這一任務(wù)的。

2 ddr sdram的工作方式

在ddr sdram能夠被存取數(shù)據(jù)之前，需要先對(duì)其初始化。該初始化流程是預(yù)先定義好的。不正確的操作將導(dǎo)致無法預(yù)料的結(jié)果。初始化的過程中將設(shè)置ddr sdram的普通模式寄存器和擴(kuò)展模式寄存器，用來制定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dll的使能與輸出驅(qū)動(dòng)能力的的設(shè)置。模式寄存器可以被再編程，這時(shí)需要ddr sdram的各個(gè)區(qū)（bank）處于空閑狀態(tài)，從而改變存儲(chǔ)器的工作模式。如果操作正確，對(duì)模式寄存器的再編程不會(huì)改變存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

初始化完全之后，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)行讀寫和刷新。ddr sdram在一對(duì)差分時(shí)鐘（clk與clkn；clk的上升沿與clkn的下降沿的交點(diǎn)被認(rèn)為是clk的上升沿）的控制下工作。命令（地址和控制信號(hào)）在每個(gè)時(shí)鐘（clk）的上升沿被觸發(fā)。隨著數(shù)據(jù)一起傳送的還包括一個(gè)雙向的數(shù)據(jù)選通信號(hào)，接收方通過該信號(hào)來接收數(shù)據(jù)。dqs作為選通信號(hào)在讀周期中由ddr sdram來產(chǎn)生，寫周期中由存儲(chǔ)器控制器來產(chǎn)生。該選通信號(hào)與數(shù)據(jù)相關(guān)，其作為類似于一個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘，因此也需要滿足相應(yīng)的時(shí)序要求。讀周期中，dqs與數(shù)據(jù)是邊沿對(duì)齊的；寫周期中，dqs與數(shù)據(jù)是中心對(duì)齊的。存儲(chǔ)器輸入的數(shù)據(jù)在dqs的兩個(gè)沿都觸發(fā)，輸出的數(shù)據(jù)也是以dqs的兩個(gè)沿作為參考，同時(shí)還要以時(shí)鐘clk的兩個(gè)沿作為參考。因此，由于接口在時(shí)鐘的兩個(gè)沿的觸發(fā)下工作。其數(shù)據(jù)寬度（n）是存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寬度（2n）的一半。圖2描述了ddr sdram的工作方式。

對(duì)ddr sdram的讀和寫操作是基于突發(fā)的：從一個(gè)選定的地址單元開始，連續(xù)存取設(shè)置好長(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 command，ras_n low）開始，接著便是讀（cas_n low）或?qū)懀╟as_n low and we_n low）命令。與激活命令一起被觸發(fā)的地址位用來選擇將要存取的區(qū)（bank）和頁（或行）；與讀或?qū)懨钜黄鹩|發(fā)的地址位用來選擇突發(fā)存取的起始列單元。使用控制器讀取ddr sdram的仿真波形示意圖如圖2所示。讀命令被觸發(fā)后，數(shù)據(jù)將在1.5－3個(gè)時(shí)鐘周圍之后出發(fā)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dram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潛伏期的到小與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)，需要通過一個(gè)預(yù)充電（precharge）操作關(guān)閉當(dāng)前行。自動(dòng)刷新（auto－refresh）命令用來周期性地刷新ddr sdram，以保持其內(nèi)部的數(shù)據(jù)不丟失。

3 ddr sdram控制器的設(shè)計(jì)

ddr sdram控制器的功能就是初始化ddr sdram；將ddr sdram復(fù)雜的讀寫時(shí)序轉(zhuǎn)化為用戶方簡(jiǎn)單的讀寫時(shí)序，以及將ddr sdram接口的雙時(shí)鐘沿?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為用戶方的單時(shí)鐘沿?cái)?shù)據(jù)，使用戶像操作普通的ram一樣控制ddr sdram；同時(shí)，控制器還要產(chǎn)生周期性的刷新命令來維持ddr sdram內(nèi)的數(shù)據(jù)而不需要用戶的干預(yù)。

3.1 ddr sdram控制器的控制流程

ddr sdram提供了多種命令，整個(gè)控制狀態(tài)機(jī)非常復(fù)雜。但很多應(yīng)用場(chǎng)合中，并不需要用到所有的命令，因此為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，但同時(shí)又兼顧盡可能多的應(yīng)用場(chǎng)合，在控制器的設(shè)計(jì)中制定了如下幾種功能：ddr sdram的初始化、可變長(zhǎng)度的突發(fā)讀寫，自動(dòng)刷新功能，預(yù)充電以及模式寄存器的重置（reload）。圖3是控制器整個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。

系統(tǒng)上電后，ddr sdram處于空閑狀態(tài)（idle），在對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫操作之前，需要先對(duì)其進(jìn)行初始化。初始化的過程中，將設(shè)置突發(fā)長(zhǎng)度，突發(fā)類型，cas潛伏期等參數(shù)。ddr sdram的初始化有一個(gè)固定的步驟，錯(cuò)誤的操作將導(dǎo)致ddr sdram進(jìn)入不確定狀態(tài)。在控制器中使用了一個(gè)專門的初始化狀態(tài)機(jī)來對(duì)ddr sdram進(jìn)行初始化。

初始化完之后便可對(duì)ddr sdram進(jìn)行讀、寫或其他操作。在執(zhí)行讀（寫）命令之前，先要激活（active）將要讀（寫）的行，之后便可對(duì)該行進(jìn)行突發(fā)讀（寫），在控制器的設(shè)計(jì)中，所有的讀寫命令都是不帶預(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)充電命令來關(guān)閉當(dāng)前行。這樣，某一行被激活之后用戶便可進(jìn)行連續(xù)的突發(fā)讀（寫）操作，從而節(jié)省了每次突發(fā)讀寫所需要的激活時(shí)間，提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐率。

控制器同時(shí)提供了一個(gè)自動(dòng)刷新（auto refresh）計(jì)數(shù)器，每隔一定的時(shí)間間隔（即ddr sdra的刷新周期，根據(jù)所使用的存儲(chǔ)器而定，可在控制器中設(shè)定），便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)刷新請(qǐng)求，如果此時(shí)ddr sdram處于空閑狀態(tài)，控制器便會(huì)發(fā)生一個(gè)自動(dòng)刷新命令來對(duì)ddr sdram進(jìn)行刷新；如果此時(shí)ddr sdram正在進(jìn)行讀（寫）操作，控制器將會(huì)等到當(dāng)前的讀（寫）操作完全之后再發(fā)送新命令。在刷新過程中，用戶如果有讀（寫）請(qǐng)求，控制器將在當(dāng)前的刷新周期完成之后再響應(yīng)用戶的請(qǐng)求。

正常的操作過程中，當(dāng)ddr sdram處于空閑狀態(tài)時(shí)，用戶還可以根據(jù)實(shí)際的需要來重置存儲(chǔ)器的控制寄存器，重新設(shè)定存儲(chǔ)器的突發(fā)長(zhǎng)度、突發(fā)類型、cas潛伏期等參數(shù)。

3.2 控制器數(shù)據(jù)通道的結(jié)構(gòu)

圖4是ddr sdram控制器數(shù)據(jù)通道的結(jié)構(gòu)圖。圖4中完整的顯示了控制器讀和寫數(shù)據(jù)通道上dq與dqs的結(jié)構(gòu)關(guān)系。前面提到過，cyclone系列fpga沒有帶ddr觸發(fā)器的輸入輸出單元，但完全可以用靠近輸入輸出引腳處的邏輯資源來實(shí)現(xiàn)ddr觸發(fā)器，而且最后的結(jié)果表明，這種實(shí)現(xiàn)方式可以滿足時(shí)序要求。

從圖4中也可以看到，控制器內(nèi)部有兩個(gè)時(shí)鐘，clk和clk_90，兩者之間的相位差為90°。圖中將面向存儲(chǔ)器的時(shí)鐘命名為clk。它是clk_90時(shí)鐘的90°相位延遲后的信號(hào)。clk_90作為系統(tǒng)時(shí)鐘來驅(qū)動(dòng)整個(gè)fpga，clk時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)存儲(chǔ)器接口路。

3.2.1 dqs相位延遲電路

在讀周期中，ddr sdram處輸出的dq和dqs信號(hào)是邊沿對(duì)齊的。為了使用dqs作為選通信號(hào)來捕獲dq，dqs信號(hào)需要在fpga內(nèi)部相對(duì)于dq信號(hào)作90°的相位延遲。但是這個(gè)延遲不能使用鎖相環(huán)（pll）來完成，因?yàn)閐qs信號(hào)不具有時(shí)鐘的特性。因此，需要在dqs和數(shù)據(jù)時(shí)鐘之間加一個(gè)延遲鏈（delay clain），如圖4中所示。

前面提到過，cyclone系列fpga在其dqs輸入引腳上有一個(gè)專用的延遲單元，用來使dqs相對(duì)于dq信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)90°相移。因此，可以使用該硬核資源來完成對(duì)dqs的相移，而不必通過內(nèi)部的邏輯來搭建這樣一個(gè)延遲電路，從而可以獲得更好的時(shí)序性能。

3.2.2 再同步

讀周期中，從ddr sdram來的數(shù)據(jù)信號(hào)首先通過延遲后的dqs鎖存到ddr觸發(fā)器中。為了在fpga內(nèi)部能夠使用該數(shù)據(jù)，還要將其同步到fpga內(nèi)部的時(shí)鐘域上，這個(gè)過程稱為再同步（resynchronization）。如圖4所示，對(duì)于前一級(jí)dqs延遲后的信號(hào)鎖存的數(shù)據(jù)再通過clk_90同步之后才送到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上。

在寫周期中，dqs與dq必須是中心對(duì)齊的（center align）。我們用clk_90時(shí)鐘觸發(fā)的ddr觸發(fā)器產(chǎn)生dqs信號(hào)，因此，為了滿足時(shí)序要求，從內(nèi)部來的數(shù)據(jù)通過clk_90時(shí)鐘鎖存后再由clk觸發(fā)的ddr觸發(fā)器將其輸出，從而保證dqs與dq是中心對(duì)齊的。

4 控制器的實(shí)現(xiàn)

該控制器針對(duì)16位寬512mb的ddr sdram設(shè)計(jì)，在altera公司的quartus ⅱ4.2環(huán)境中采用cyclone系列的fp1c6q240c6來實(shí)現(xiàn)，總共使用了729個(gè)邏輯單元，占fpga可編程邏輯資源的12％，此外還使用了1個(gè)鎖相環(huán)（pll）。最后，在modelsim 5.8中對(duì)整個(gè)工程進(jìn)行布局－布線后仿真（post－place＆route simulation），采用的模型為micron公司的512mb的ddr sdram mt46v32m16的仿真模型，時(shí)鐘為133mhz，圖2是控制器讀取ddr sdram的時(shí)序仿真波形。

5 結(jié)論

本文給出了一種通過fpga控制將ddr sdram應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中的方法。設(shè)計(jì)中采用altera公司性價(jià)比較高的cyclone系列fpga，并充分利用片內(nèi)提供的鎖相環(huán)、ddr觸發(fā)器以及dqs延遲鏈等硬件資源，占用的邏輯資源少。該設(shè)計(jì)可以很容易地轉(zhuǎn)移到altera公司其他系列的fpga上，經(jīng)過適當(dāng)?shù)男薷倪€可以用來控制64位寬的dimm型的ddr sdram，因此可以很好地應(yīng)用在需求高速度、大容量存儲(chǔ)器的場(chǎng)合中。