1 任務背景

SDRAM具有大容量和高速的優(yōu)點，目前其存取速度可以達到100～133MHz，單片容量可以達到64Mbit或更高，因此在需要高速、大容量存儲器的系統(tǒng)中得到廣泛應用，如應用在目前的計算機內(nèi)存中。但是SDRAM的控制比較復雜，其接口不能直接與目前廣泛應用的普通微處理器如MCS-51系列、Motorola 68000系列連接，這樣就限制了SDRAM在微處理器系統(tǒng)中的應用。

我們的任務是設計一個通用微處理器，它要具有語音、數(shù)據(jù)、圖像等多種處理功能，并具有RS232、USB等多種接口，另外由于多個通道的數(shù)據(jù)都需要進行緩存和處理，因此高速大容量的緩存是此系統(tǒng)必須的，所以選用了SDRAM作為緩存器件。來自多個輸入通道的數(shù)據(jù)在采集后需要暫時存儲在SDRAM中，處理后的數(shù)據(jù)也需要存儲在SDRAM中，再輸出到輸出通道中。在SDRAM與多個輸入輸出通道之間，采用多個雙口RAM作為接口器件。輸入通道采集的數(shù)據(jù)首先存儲在雙口RAM中，采集滿后，通過若干條指令將RAM中的數(shù)據(jù)轉移到SDRAM中的一定位置中，將SDRAM中的數(shù)據(jù)轉移到RAM中也只需要若干條指令來完成。這樣通過幾條指令來設置RAM起始地址、SDRAM起始地址、傳送數(shù)據(jù)長度、傳送數(shù)據(jù)方向之后，SDRAM與RAM之間數(shù)據(jù)傳送就完全可以通過硬件實現(xiàn)，不必占用微處理器的指令時間。

2 SDRAM簡介

SDRAM具有多種工作模式，內(nèi)部操作是一個非常復雜的狀態(tài)機。SDRAM的管腳分為以下幾類：

(1)控制信號：包括片選、時鐘、時鐘有效、行/列地址選擇、讀寫選擇、數(shù)據(jù)有效;

(2)地址：時分復用管腳，根據(jù)行/列地址選擇管腳控制輸入地址為行地址或列地址;

(3)數(shù)據(jù)：雙向管腳，受數(shù)據(jù)有效控制;根據(jù)控制信號和地址輸入，SDRAM包括多種輸入命令：① 模式寄存器設置命令;② 激活命令;③ 預充命令;④寫命令;⑤ 讀命令;⑥自動刷新命令;⑦ 自我刷新命令;⑧突發(fā)停止命令;⑨ 空操作命令。

根據(jù)輸入命令，SDRAM狀態(tài)在內(nèi)部狀態(tài)間轉移。內(nèi)部狀態(tài)包括：①模式寄存器設置狀態(tài);②激活狀態(tài);③預充狀態(tài);④寫狀態(tài);⑤讀狀態(tài);⑥自動刷新狀態(tài);⑦自我刷新狀態(tài);⑧節(jié)電狀態(tài)。

3 SDRAM接口狀態(tài)機設計

根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用固定型號SDRAM，我們對SDRAM的操作進行了以下簡化：

(1)存取模式，只采用突發(fā)讀寫數(shù)據(jù)模式，固定突發(fā)數(shù)據(jù)長度為2;

(2)DRAM讀命令輸入到數(shù)據(jù)輸出延時時鐘周期為2;

(3)不采用自動刷新模式;

(4)DRAM的初始化、節(jié)電模式由微處理器控制;

(5)DRAM為16位數(shù)據(jù)總線，RAM為32位數(shù)據(jù)總線，SDRAM進行一次突發(fā)操作，RAM進行一次讀寫操作，以實現(xiàn)速度匹配;

(6)DRAM和RAM讀寫地址采用遞增模式，連續(xù)變化。

簡化的SDRAM接口狀態(tài)轉移圖如圖1所示。其中，初始化、自我刷新、電源關斷、讀操作、寫操作、預充等狀態(tài)又分別各由一組子狀態(tài)組成。
簡化的SDRAM接口狀態(tài)轉移圖

為充分利用SDRAM的高速存取特性，讀、寫時序必須仔細設計，應基本可以實現(xiàn)每個時鐘周期進行一次數(shù)據(jù)存取。

3.1 SDRAM讀操作時序設計

當數(shù)據(jù)轉移方向為從SDRAM到雙口RAM時，如果SDRAM讀操作行地址未發(fā)生變化，可以滿足每時鐘周期輸出一次數(shù)據(jù)的高速操作。但是當SDRAM行地址發(fā)生變化時，必須返回預充狀態(tài)，由于從SDRAM的讀命令輸入到SDRAM數(shù)據(jù)輸出之間有2個時鐘周期的延時，所以判斷下一讀操作的行地址是否發(fā)生變化必須提前兩個周期判斷。讀操作部分的狀態(tài)轉移圖如圖2所示。

讀操作部分的狀態(tài)轉移圖

3.2 SDRAM寫操作時序設計

當數(shù)據(jù)轉移方向為從雙口RAM到SDRAM時，如果SDRAM寫操作行地址未發(fā)生變化，可以滿足每時鐘周期寫入一次數(shù)據(jù)的高速操作。但是當SDRAM行地址發(fā)生變化時，必須返回預充狀態(tài)，由于從SDRAM的寫命令輸入到SDRAM數(shù)據(jù)輸入之間沒有延時，所以判斷下一寫操作的行地址是否發(fā)生變化無需提前判斷，因此寫操作狀態(tài)轉移圖比讀操作部分簡單。寫操作部分的狀態(tài)轉移圖如圖3所示。
寫操作部分的狀態(tài)轉移圖

在所設計的讀、寫操作時序中，SDRAM地址、數(shù)據(jù)、控制信號和RAM部分的地址、數(shù)據(jù)、讀寫控制信號均由有限狀態(tài)機產(chǎn)生，因此在狀態(tài)轉移過程中還必須仔細考慮RAM部分輸出控制信號的時序關系。

4 VHDL實現(xiàn)

硬件描述語言VHDL(Very=High Speed IC Hardware Description Language)是一種應用于電路設計的高層次描述語言，具有行為級、寄存器傳輸級和門級等多層次描述，并且具有簡單、易讀、易修改和與工藝無關等優(yōu)點。目前VHDL語言已經(jīng)得到多種EDA工具的支持，綜合工具得到迅速發(fā)展，VHDL語言的行為級綜合也已經(jīng)得到支持和實現(xiàn)，因此利用VHDL語言進行電路設計可以節(jié)約開發(fā)成本，縮短周期。在VHDL語言輸入中也有多種形式，例如可以支持直接由狀態(tài)轉移圖生成VHDL語言。因此在設計SDRAM狀態(tài)轉移圖后，可以直接產(chǎn)生VHDL程序，在功能仿真正確后，可以進行綜合、FPGA布局布線和后仿真。

以上介紹了一種應用于通用微處理器系統(tǒng)中的SDRAM與雙口RAM之間的數(shù)據(jù)轉移接口控制電路，由VHDL語言設計，用Xilinx公司4000系列FPGA實現(xiàn)，目前該電路硬件實現(xiàn)和微處理器系統(tǒng)已經(jīng)通過驗證，證明可將SDRAM作為高速、大容量存儲器應用在簡單電子系統(tǒng)中。