基于VHDL的SDRAM控制器的實現(xiàn)

在高速實時或者非實時信號處理系統(tǒng)當中，使用大容量存儲器實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存是一個必不可少的環(huán)節(jié)，也是系統(tǒng)實現(xiàn)中的重點和難點之一。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)緩存的首選存儲介制裁。但是SDRAM存儲體結構與RAM有較大差異，其控制時序和機制也較復雜，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，但其可擴展性和靈活性不夠，難以滿足現(xiàn)實系統(tǒng)的要求，限制了SDRAM的使用。

　　在詳細闡讀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）設計了一種通用的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控制模塊的設計進行詳細的描述。

　　1 SDRAM內存條的結構

　　SDRAM內存條由SDRAM內存芯片構成，根據(jù)內存條的容量大小決定內存條上內存芯片的個數(shù)?，F(xiàn)以MICRON公司生產的TIM16LSDT6464A型SDRAM內存條為例，簡要介紹SDRAM的結構。

　　MIT16LSDT6464A內存條容量為512M Byte,由16片容量為32M Byte的內存芯片MT46LC32M8A2構成。16片內存芯片被分為兩級，每個芯片的數(shù)據(jù)位寬為8bit.8片一組，64bit數(shù)據(jù)寬度。每個內存芯片的數(shù)據(jù)線和控制均是復用的。對內存條的讀寫操作，是以內存芯片組為單位的，通過內存條的片選信號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，均為工作時鐘同步輸入、輸出信號。

　　控制信號主要有：CS（片選信號），CKE（時鐘使能信號），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。通過分時復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行設置來選擇。設置參量有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）時間后，發(fā)出讀命令字。CL（CAS延遲值）個工作時鐘后，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)出預充電（PRECHARGE）命令，以關閉已經激活的頁。等待tRP時間（PRECHARGE）命令，以關閉已經激活的頁。等待tRP時間（PRECHAREG命令后，相隔tRP時間，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。在最后一個數(shù)據(jù)寫入后延遲tWR時間。發(fā)出預充電命令，關閉已經激活的頁。等待tRP時間后，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。所等待的工作時鐘個數(shù)由tRCD、tRP、tWR的最小值和工作時鐘周期共同決定。

　　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、寫操作是有時鐘損耗的，工作時鐘速率不等于SDRAM能達到的讀、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。當突發(fā)長度為整頁時，讀、寫速度達到最快。隨機讀、寫速度的計算公式為：

　　furite/read=工作時鐘頻率（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存條發(fā)出刷新命令，保證在規(guī)定的時間內對每一個單元都進行刷新。

　　3 初始化操作

　　SDRAM在上電以后必須對其進行初始化操作，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，完成預充電。

　?。?）向每組內存芯片發(fā)出兩條AUTO REFRESH命令，使SDRAM芯片內部的刷新計數(shù)器可以進入正常運行狀態(tài)。

　?。?）執(zhí)行LOAD MODE REGISTER命令，完成對SDRAM工作模式的設定。

　　完成以上步驟后，SDRAM進入正常工作狀態(tài)，等待控制器對其進行讀、寫和刷新等操作。

　　4 SDRAM控制器設計

　　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行控制具有很強的靈活性。為了使設計具有模塊化和可重復使用的優(yōu)點，設計了一個簡化的SDRAM接口電路。這樣就屏蔽掉了SDRAM操作的復雜性，而其它邏輯模塊可通過接口電路對SDRAM進行訪問。此外，由于整個SDRAM控制器用VHDL語言編寫，只要對其進行簡單的修改就可以滿足不同的需求，具有很強的靈活性。

　　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端的地址進行解析，產生相應的SDRAM的控制時序。

　　CLK為輸入的工作時鐘端口。