SDRAM控制器的設(shè)備與VHDL實(shí)現(xiàn)
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在高速實(shí)時(shí)或者非實(shí)時(shí)信號處理系統(tǒng)當(dāng)中，使用大容量存儲器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存是一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)，也是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。sdram（同步動態(tài)隨機(jī)訪問存儲器）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)緩存的首選存儲介制裁。但是sdram存儲體結(jié)構(gòu)與ram有較大差異，其控制時(shí)序和機(jī)制也較復(fù)雜，限制了sdram的使用。目前，雖然一些能家長微處理器提供了和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(shí)系統(tǒng)的要求，限制了sdram的使用。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/21109.htm在詳細(xì)闡讀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，fpga）設(shè)計(jì)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)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(jì)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(gè)數(shù)。現(xiàn)以micron公司生產(chǎn)的tim16lsdt6464a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mt46lc32m8a2構(gòu)成。16片內(nèi)存芯片被分為兩級，每個(gè)芯片的數(shù)據(jù)位寬為8bit。8片一組，64bit數(shù)據(jù)寬度。每個(gè)內(nèi)存芯片的數(shù)據(jù)線和控制均是復(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、控制信號、數(shù)據(jù)信號，均為工作時(shí)鐘同步輸入、輸出信號。
控制信號主要有：cs（片選信號），cke（時(shí)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。
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(shí)復(fù)用決定地址是行地址還是列地址。在讀寫操作中，在地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(shí)間后，發(fā)出讀命令字。cl（cas延遲值）個(gè)工作時(shí)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(shí)間（precharge）命令，以關(guān)閉已經(jīng)激活的頁。等待trp時(shí)間（prechareg命令后，相隔trp時(shí)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(shí)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(gè)數(shù)據(jù)寫入后延遲twr時(shí)間。發(fā)出預(yù)充電命令，關(guān)閉已經(jīng)激活的頁。等待trp時(shí)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(shí)鐘個(gè)數(shù)由trcd、trp、twr的最小值和工作時(shí)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(shí)鐘損耗的，工作時(shí)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(shí)，讀、寫速度達(dá)到最快。隨機(jī)讀、寫速度的計(jì)算公式為：
furite/read=工作時(shí)鐘頻率（hzhzhhdkkdk ss dkkdkdkd,,,m,mddddd）×數(shù)據(jù)寬度（bytes）×突發(fā)讀寫長度/操作所需的時(shí)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(shí)間內(nèi)對每一個(gè)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。在待時(shí)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(jì)數(shù)器可以進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。
（4）執(zhí)行l(wèi)oad 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(jì)
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(jì)具有模塊化和可重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)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(gè)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(shí)序。
clk為輸入的工作時(shí)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(2 29 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(shí)，表示從下一個(gè)時(shí)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(shí)，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)存等待操作。其中，cmd=“000”表示無操作，內(nèi)存條交給控制器管理，定其完成刷新工作；refresh命令由外部邏輯指定特刷新的內(nèi)存芯片信號，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(gè)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(gè)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(gè)子狀態(tài)完成一個(gè)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(jì)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(jì)數(shù)器操作是一個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程（process）。刷新計(jì)數(shù)器的初值由內(nèi)存芯片要求、內(nèi)存條個(gè)數(shù)和控制器工作頻率共同決定。例如，在本次設(shè)計(jì)中，所采用的mt48lc32m8a2內(nèi)存芯片要求在64ms內(nèi)夏至少刷新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(shí)鐘為46.66mhz，因此控制單條mit16lsdt6464a時(shí)，刷新計(jì)數(shù)器初值至多為（64ms/8196/2）×6、、46.66mhz，即182。開始工作后，每當(dāng)刷新計(jì)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)存請求；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(shí)出現(xiàn)時(shí)，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(shí)，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，也有許數(shù)器計(jì)數(shù)，其大小等于控制器管理的內(nèi)存芯片信號。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(shí)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(shí)，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(shí)序圖。讀操作的cas延遲為兩個(gè)時(shí)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quartus ii的仿真、綜合和布局、布線。占用499個(gè)logic cellk，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(shí)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(shí)現(xiàn)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)其中的一個(gè)子集（基本讀、寫、刷新操作）來滿足實(shí)際系統(tǒng)的需要。用sdram實(shí)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(shí)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。
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