DSP片外高速海置SDRAM存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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作者：哈爾濱工程大學(xué) 劉偉 劉洋 焦淑紅
時(shí)間：2006-11-02
來(lái)源：21IC中國(guó)電子網(wǎng)
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1 IS42S16400芯片簡(jiǎn)介
IS42S16400是ISSl公司推出的一種單片存儲(chǔ)容量高達(dá)64 Mb(即8 MB)的16位字寬高速SDRAM芯片。SDRAM的主要特點(diǎn)是：①同步訪(fǎng)問(wèn)，讀寫(xiě)操作需要時(shí)鐘；②動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)，芯片需要定時(shí)刷新。IS42S16400采用CMOS工藝，它的同步接口和完全流水線(xiàn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使其擁有極大的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以工作在高達(dá)133 MHz的時(shí)鐘頻率下，刷新頻率每64 ms為4096次。該SDRAM芯片內(nèi)部有4個(gè)存儲(chǔ)體(bank)，通過(guò)行、列地址分時(shí)復(fù)用系統(tǒng)地址總線(xiàn)，對(duì)不同存儲(chǔ)體內(nèi)不同頁(yè)面的具體存儲(chǔ)單元進(jìn)行讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)尋址。在進(jìn)行讀操作之前，必須預(yù)先激活SDRAM內(nèi)對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)體，并選擇存儲(chǔ)器的某一行，然后送人列地址讀取需要的數(shù)據(jù)。從輸出列地址到SDRAM返回相應(yīng)數(shù)據(jù)之間存在一個(gè)存取延遲。如果訪(fǎng)問(wèn)新的頁(yè)面，則先需要關(guān)閉所有的存儲(chǔ)體，否則已打開(kāi)的頁(yè)面將一直有效。在寫(xiě)操作之前，由于已經(jīng)預(yù)先激活了有關(guān)的行地址，因此可以在輸出列地址的同時(shí)輸出數(shù)據(jù)，沒(méi)有延遲。IS42S16400提供自刷新模式的設(shè)置，可以使芯片運(yùn)行在低功耗的狀態(tài)下，從而大大減少嵌入式系統(tǒng)的功率消耗。
2 C6201與SDRAM的外部存儲(chǔ)器接口
DSP芯片訪(fǎng)問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)必須通過(guò)外部存儲(chǔ)器接口EMlF(External Memory Interface)。C6000系列DSPs的EMIF具有很強(qiáng)的接口能力，不僅具有很高的數(shù)據(jù)吞吐率(最高達(dá)1200 MB／s)，而且可以與目前幾乎所有類(lèi)型的存儲(chǔ)器直接接口。在C6201系統(tǒng)中，提供了4個(gè)彼此獨(dú)立的外存接口(CEX)。除CEl空間只支持異步接口外，所有的外部CEx空間都支持對(duì)SDRAM的直接接口。表1總結(jié)了C620XDSPs的EMIF所兼容的SDRAM配置。表2給出了C6000系列DSPs的EMIF所支持的SDRAM控制命令。
2．1 SDRAM的刷新
為了提高存儲(chǔ)容量，SDRAM采用硅片電容來(lái)存儲(chǔ)信息。隨著時(shí)間的推移，必須給電容重新充電才能保持電容里的數(shù)據(jù)信息，這就是所謂的“刷新”。它的存在也使得SDRAM的應(yīng)用變得略顯復(fù)雜，帶來(lái)了一定的應(yīng)用難度。
C6000系列DSPs有專(zhuān)門(mén)的SDRAM控制寄存器(SDTCL)和SDRAM時(shí)序控制寄存器(SDTIM)，用來(lái)進(jìn)行SDRAM的各種時(shí)序控制，大大減輕了設(shè)計(jì)人員的開(kāi)發(fā)難度。SDCTL寄存器中的RFEN位控制是否由EMIF完成對(duì)SDRAM的刷新。如果RFEN=1，EMIF會(huì)控制向所有的SDRAM空間發(fā)出刷新命令(REFR)；而SDTIM寄存器中的PERIOD位段則控制具體的刷新周期。
在REFR命令之前，會(huì)自動(dòng)插入一個(gè)DCAB命令，以保證刷新過(guò)程中所有的SDRAM都處于未激活狀態(tài)。DCAB命令之后，EMIF開(kāi)始按照SDTIM寄存器中PERD字段設(shè)置的值進(jìn)行定時(shí)刷新。刷新前后，頁(yè)面信息會(huì)變?yōu)闊o(wú)效。
對(duì)于C620X，EMIF SDRAM控制模塊內(nèi)部有一個(gè)2位的計(jì)數(shù)器，用來(lái)監(jiān)測(cè)提交的刷新申請(qǐng)的次數(shù)。每提交一個(gè)申請(qǐng)，計(jì)數(shù)器加1；每次刷新周期之后，計(jì)數(shù)器減1。復(fù)位時(shí)，計(jì)數(shù)器自動(dòng)置為11b，以保證在存取訪(fǎng)問(wèn)之前先進(jìn)行若干次刷新。計(jì)數(shù)器的值為llb，代表緊急刷新?tīng)顟B(tài)，此時(shí)頁(yè)面信息寄存器變無(wú)效，迫使控制器關(guān)閉當(dāng)前的SDRAM頁(yè)面。然后，EMIF SDRAM控制器在DCAB命令后執(zhí)行3次
REFR命令，使計(jì)數(shù)器的值減為0，再繼續(xù)完成余下的存取操作。
2.2 SDRAM的初始化
當(dāng)某個(gè)CE空間配置為SDRAM空間后，必須首先進(jìn)行初始化。用戶(hù)不需要控制初始化的每一個(gè)步驟，只需要向EMIF SDCTL寄存器的INIT位寫(xiě)1，申請(qǐng)對(duì)SDRAM作初始化。然后，EMIF就會(huì)自動(dòng)完成所需要的各步操作。初始化操作不能在進(jìn)行SDRAM存取過(guò)程中進(jìn)行。整個(gè)初始化過(guò)程包括下面幾個(gè)步驟：
①對(duì)所有的SDRAM空間發(fā)出DCAB命令；
②執(zhí)行3個(gè)REFR命令；
③對(duì)所有的SDRAM空間發(fā)出MRS命令。
2.3頁(yè)面邊界控制
SDRAM屬于分頁(yè)存儲(chǔ)器，EMIF的SDRAM控制器會(huì)監(jiān)測(cè)訪(fǎng)問(wèn)SDRAM時(shí)行地址的情況，避免訪(fǎng)問(wèn)時(shí)發(fā)生行越界。為了完成這一任務(wù)，EMIF在內(nèi)部有四個(gè)頁(yè)面寄存器，自動(dòng)保存當(dāng)前打開(kāi)的行地址，然后與后續(xù)存取訪(fǎng)問(wèn)的地址進(jìn)行比較。需要說(shuō)明的是，當(dāng)前存取操作結(jié)束并不會(huì)引起SDRAM中已經(jīng)激活的行被立即關(guān)閉，EMIF的控制原則是維持當(dāng)前的打開(kāi)狀態(tài)，除非必須關(guān)閉。這樣做的好處是可以減少關(guān)閉／重新打開(kāi)之間的命令切換時(shí)間，使接口在存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)的控制過(guò)程中充分利用地址信息。
對(duì)于C620X，每個(gè)CE空間包含1個(gè)頁(yè)面寄存器(只對(duì)配置為SDRAM空間有效)，因此C620X每個(gè)CE空間1次只能激活1頁(yè)。進(jìn)行比較的地址位數(shù)取決于SDCTL寄存器中SDWID位的值。如果SDWID=O，該CE空間構(gòu)成頁(yè)面的大小為512，比較的邏輯地址是位23～11；如果SDWID=1，該CE空間SDRAM構(gòu)成頁(yè)面的大小為256，比較的邏輯地址是位23～10。一旦發(fā)現(xiàn)存取訪(fǎng)問(wèn)發(fā)生了頁(yè)面越界，EMIF會(huì)自動(dòng)執(zhí)行DCAB操作，然后再開(kāi)始新的行訪(fǎng)問(wèn)。
2．4訪(fǎng)問(wèn)地址的移位
由于SDRAM行邏輯地址與列邏輯地址復(fù)用相同的EMIF 引腳，所以EMIF接口需要對(duì)行地址與列地址進(jìn)行相應(yīng)的移位處理。地址的移位處理由SDCRL寄存器中的SDWlD位控制。 另外，對(duì)于SDRAM，因?yàn)檩斎氲刂芬彩强刂菩盘?hào)，因此需要說(shuō)明以下幾點(diǎn)：
①RAS有效期間的高位地址信號(hào)會(huì)被EMIF內(nèi)部SDRAM控制器鎖存，以保證執(zhí)行READ和WRT命令時(shí)選通正確的bank；
②READ／WRT操作期間，EMIF會(huì)保持pre-charge信號(hào)為低(C620X是SDAl0)，以防止READ／WRT命令執(zhí)行后發(fā)生auto pre—charge操作。
2.5接口時(shí)序的設(shè)計(jì)
對(duì)于C620X，EMIF與SDRAM的接口時(shí)序由SDCTL寄存器控制。EMIF提供了5個(gè)時(shí)序參數(shù)，其中3個(gè)在SDCTL寄存器中設(shè)置，另外2個(gè)為固定值，如表3所列。在分析接口時(shí)序的配合情況時(shí)，需要計(jì)算“富裕時(shí)間”tmargin的大小，這是在考慮了SDRAM芯片的器件手冊(cè)提供的最壞情況之后，得到的時(shí)序上的一個(gè)裕量。至于tmargin值的大小，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)層需要考慮的問(wèn)題，具體要求隨不同的系統(tǒng)而異，而且與印制板的實(shí)際布線(xiàn)情況以及負(fù)載的情況密切相關(guān)。
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中IS42S16400芯片的應(yīng)用
3.1 C6201與IS42S16400的接口實(shí)現(xiàn)
由于IS42S16400屬于16位字寬的64 Mb SDRAM芯片，而C6201的EMIF只提供32位字寬的同步外存儲(chǔ)接口，為了使整個(gè)系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間保持連續(xù)，使用2片SDRAM與DSP芯片組成實(shí)際大小為16 MB的外部存儲(chǔ)系統(tǒng)，如圖1所示。圖1中IS42S16400芯片各引腳含義如下：CS，片選；CLK，系統(tǒng)同步時(shí)鐘；RAS，行地址選擇；CAS，列地址選擇；WE，讀／寫(xiě)使能；CKE，時(shí)鐘使能；DQMU、DQML，高低字節(jié)使能；A[13：123]，Bank地址選擇線(xiàn)；A[11：0]，行、列地址線(xiàn)；DQ[15：0]，雙向數(shù)據(jù)端口。
由圖1可以看出，雖然C620l提供32位地址尋址能力，但是經(jīng)EMIF直接輸出的地址信號(hào)只有EA[21：2]。一般情況下，EA2信號(hào)對(duì)應(yīng)邏輯地址A2，但這并不意味著DSP芯片訪(fǎng)問(wèn)外存時(shí)只能進(jìn)行word(32位)的存取。實(shí)際內(nèi)部32位地址的最低2～3位經(jīng)譯碼后由BEx輸出，是能夠控制字節(jié)訪(fǎng)問(wèn)的。更高位邏輯地址經(jīng)譯碼后輸出CE[3：0]。
在實(shí)際的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，C6201的CLKOUT1時(shí)鐘頻率為200 MHz，故而SDRAM的實(shí)際工作頻率為100 MHz(SDCLK=CLKOUT2=CLKOUT1 frequency／2)，即tcyc=10 ns。SDRAM被配置在CE2空問(wèn)(起始邏輯地址為0x02000000)。
3．2 06201 EMIF SDRAM寄存器設(shè)置
表4列出了配置SDRAM需要設(shè)置的EMIF寄存器名稱(chēng)及相應(yīng)的位或位段。
EMIF全局控制寄存器中的SDCEN位(位6)設(shè)置為1，用來(lái)使能SDRAM同步時(shí)鐘SDCLK的輸出。EMIFCE2空間控制寄存器中的MTYPE位段(位6～4)設(shè)置為011b，用來(lái)配置CE2為32位寬的SDRAM空間。由IS42S16400數(shù)據(jù)手冊(cè)可查得tRC=70 ns、tRp=18 ns、tRCD=18 ns，故而EMIF SDRAM控制寄存器中的TRC位段(位15～12)應(yīng)設(shè)置為0110b，TRP位段(位19～16)應(yīng)設(shè)置為0001b，TRCD位段(位23～20)應(yīng)設(shè)置為0001b。INIT位(位24)置1，用來(lái)強(qiáng)制對(duì)SDRAM進(jìn)行上電初始化。RFEN位(位25)置1，用來(lái)使能EMIF對(duì)SDRAM的刷新。SDWID位(位26)置1，用來(lái)向EMIF表明所使用的SDRAM芯片的字寬為16位。由于IS42S16400的刷新頻率為每64 ms 4096次，故根據(jù)公式PERIOD=trefesh/tcyc,EMIF SDRAM時(shí)序控制寄存器中的PERIOD位段(位11～O)被設(shè)置為0x61A。
3．3 CCS開(kāi)發(fā)環(huán)境中SDRAM配置程序源代碼
TI公司的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS(Code Composer Studio)中，IS42S16400SDRAM芯片的配置程序C代碼如下：
結(jié) 語(yǔ)
以上介紹了TMS320C6201 DSP芯片與SDRAM(IS42S16400)的具體硬件接口實(shí)現(xiàn)。由于SDRAM具有的大容量、高速度和低價(jià)格的優(yōu)勢(shì)，使用SDRAM構(gòu)建嵌入式應(yīng)用海量存儲(chǔ)系統(tǒng)會(huì)成為一種行之有效的方法。目前該系統(tǒng)已調(diào)試完畢。使用SDRAM作為DSP系統(tǒng)外接高速、大容量主存儲(chǔ)器具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，充分顯示了SDRAM在嵌人式系統(tǒng)中的良好應(yīng)用前景。
2.2 SDRAM的初始化
當(dāng)某個(gè)CE空間配置為SDRAM空間后，必須首先進(jìn)行初始化。用戶(hù)不需要控制初始化的每一個(gè)步驟，只需要向EMIF SDCTL寄存器的INIT位寫(xiě)1，申請(qǐng)對(duì)SDRAM作初始化。然后，EMIF就會(huì)自動(dòng)完成所需要的各步操作。初始化操作不能在進(jìn)行SDRAM存取過(guò)程中進(jìn)行。整個(gè)初始化過(guò)程包括下面幾個(gè)步驟：
①對(duì)所有的SDRAM空間發(fā)出DCAB命令；
②執(zhí)行3個(gè)REFR命令；
③對(duì)所有的SDRAM空間發(fā)出MRS命令。
2.3頁(yè)面邊界控制
SDRAM屬于分頁(yè)存儲(chǔ)器，EMIF的SDRAM控制器會(huì)監(jiān)測(cè)訪(fǎng)問(wèn)SDRAM時(shí)行地址的情況，避免訪(fǎng)問(wèn)時(shí)發(fā)生行越界。為了完成這一任務(wù)，EMIF在內(nèi)部有四個(gè)頁(yè)面寄存器，自動(dòng)保存當(dāng)前打開(kāi)的行地址，然后與后續(xù)存取訪(fǎng)問(wèn)的地址進(jìn)行比較。需要說(shuō)明的是，當(dāng)前存取操作結(jié)束并不會(huì)引起SDRAM中已經(jīng)激活的行被立即關(guān)閉，EMIF的控制原則是維持當(dāng)前的打開(kāi)狀態(tài)，除非必須關(guān)閉。這樣做的好處是可以減少關(guān)閉／重新打開(kāi)之間的命令切換時(shí)間，使接口在存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)的控制過(guò)程中充分利用地址信息。
對(duì)于C620X，每個(gè)CE空間包含1個(gè)頁(yè)面寄存器(只對(duì)配置為SDRAM空間有效)，因此C620X每個(gè)CE空間1次只能激活1頁(yè)。進(jìn)行比較的地址位數(shù)取決于SDCTL寄存器中SDWID位的值。如果SDWID=O，該CE空間構(gòu)成頁(yè)面的大小為512，比較的邏輯地址是位23～11；如果SDWID=1，該CE空間SDRAM構(gòu)成頁(yè)面的大小為256，比較的邏輯地址是位23～10。一旦發(fā)現(xiàn)存取訪(fǎng)問(wèn)發(fā)生了頁(yè)面越界，EMIF會(huì)自動(dòng)執(zhí)行DCAB操作，然后再開(kāi)始新的行訪(fǎng)問(wèn)。
2．4訪(fǎng)問(wèn)地址的移位
由于SDRAM行邏輯地址與列邏輯地址復(fù)用相同的EMIF 引腳，所以EMIF接口需要對(duì)行地址與列地址進(jìn)行相應(yīng)的移位處理。地址的移位處理由SDCRL寄存器中的SDWlD位控制。 另外，對(duì)于SDRAM，因?yàn)檩斎氲刂芬彩强刂菩盘?hào)，因此需要說(shuō)明以下幾點(diǎn)：
①RAS有效期間的高位地址信號(hào)會(huì)被EMIF內(nèi)部SDRAM控制器鎖存，以保證執(zhí)行READ和WRT命令時(shí)選通正確的bank；
②READ／WRT操作期間，EMIF會(huì)保持pre-charge信號(hào)為低(C620X是SDAl0)，以防止READ／WRT命令執(zhí)行后發(fā)生auto pre—charge操作。
2.5接口時(shí)序的設(shè)計(jì)
對(duì)于C620X，EMIF與SDRAM的接口時(shí)序由SDCTL寄存器控制。EMIF提供了5個(gè)時(shí)序參數(shù)，其中3個(gè)在SDCTL寄存器中設(shè)置，另外2個(gè)為固定值，如表3所列。在分析接口時(shí)序的配合情況時(shí)，需要計(jì)算“富裕時(shí)間”tmargin的大小，這是在考慮了SDRAM芯片的器件手冊(cè)提供的最壞情況之后，得到的時(shí)序上的一個(gè)裕量。至于tmargin值的大小，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)層需要考慮的問(wèn)題，具體要求隨不同的系統(tǒng)而異，而且與印制板的實(shí)際布線(xiàn)情況以及負(fù)載的情況密切相關(guān)。
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中IS42S16400芯片的應(yīng)用
3.1 C6201與IS42S16400的接口實(shí)現(xiàn)
由于IS42S16400屬于16位字寬的64 Mb SDRAM芯片，而C6201的EMIF只提供32位字寬的同步外存儲(chǔ)接口，為了使整個(gè)系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間保持連續(xù)，使用2片SDRAM與DSP芯片組成實(shí)際大小為16 MB的外部存儲(chǔ)系統(tǒng)，如圖1所示。圖1中IS42S16400芯片各引腳含義如下：CS，片選；CLK，系統(tǒng)同步時(shí)鐘；RAS，行地址選擇；CAS，列地址選擇；WE，讀／寫(xiě)使能；CKE，時(shí)鐘使能；DQMU、DQML，高低字節(jié)使能；A[13：123]，Bank地址選擇線(xiàn)；A[11：0]，行、列地址線(xiàn)；DQ[15：0]，雙向數(shù)據(jù)端口。
由圖1可以看出，雖然C620l提供32位地址尋址能力，但是經(jīng)EMIF直接輸出的地址信號(hào)只有EA[21：2]。一般情況下，EA2信號(hào)對(duì)應(yīng)邏輯地址A2，但這并不意味著DSP芯片訪(fǎng)問(wèn)外存時(shí)只能進(jìn)行word(32位)的存取。實(shí)際內(nèi)部32位地址的最低2～3位經(jīng)譯碼后由BEx輸出，是能夠控制字節(jié)訪(fǎng)問(wèn)的。更高位邏輯地址經(jīng)譯碼后輸出CE[3：0]。
在實(shí)際的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，C6201的CLKOUT1時(shí)鐘頻率為200 MHz，故而SDRAM的實(shí)際工作頻率為100 MHz(SDCLK=CLKOUT2=CLKOUT1 frequency／2)，即tcyc=10 ns。SDRAM被配置在CE2空問(wèn)(起始邏輯地址為0x02000000)。
3．2 06201 EMIF SDRAM寄存器設(shè)置
表4列出了配置SDRAM需要設(shè)置的EMIF寄存器名稱(chēng)及相應(yīng)的位或位段。
EMIF全局控制寄存器中的SDCEN位(位6)設(shè)置為1，用來(lái)使能SDRAM同步時(shí)鐘SDCLK的輸出。EMIFCE2空間控制寄存器中的MTYPE位段(位6～4)設(shè)置為011b，用來(lái)配置CE2為32位寬的SDRAM空間。由IS42S16400數(shù)據(jù)手冊(cè)可查得tRC=70 ns、tRp=18 ns、tRCD=18 ns，故而EMIF SDRAM控制寄存器中的TRC位段(位15～12)應(yīng)設(shè)置為0110b，TRP位段(位19～16)應(yīng)設(shè)置為0001b，TRCD位段(位23～20)應(yīng)設(shè)置為0001b。INIT位(位24)置1，用來(lái)強(qiáng)制對(duì)SDRAM進(jìn)行上電初始化。RFEN位(位25)置1，用來(lái)使能EMIF對(duì)SDRAM的刷新。SDWID位(位26)置1，用來(lái)向EMIF表明所使用的SDRAM芯片的字寬為16位。由于IS42S16400的刷新頻率為每64 ms 4096次，故根據(jù)公式PERIOD=trefesh/tcyc,EMIF SDRAM時(shí)序控制寄存器中的PERIOD位段(位11～O)被設(shè)置為0x61A。
3．3 CCS開(kāi)發(fā)環(huán)境中SDRAM配置程序源代碼
TI公司的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS(Code Composer Studio)中，IS42S16400SDRAM芯片的配置程序C代碼如下：
結(jié) 語(yǔ)
以上介紹了TMS320C6201 DSP芯片與SDRAM(IS42S16400)的具體硬件接口實(shí)現(xiàn)。由于SDRAM具有的大容量、高速度和低價(jià)格的優(yōu)勢(shì)，使用SDRAM構(gòu)建嵌入式應(yīng)用海量存儲(chǔ)系統(tǒng)會(huì)成為一種行之有效的方法。目前該系統(tǒng)已調(diào)試完畢。使用SDRAM作為DSP系統(tǒng)外接高速、大容量主存儲(chǔ)器具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，充分顯示了SDRAM在嵌人式系統(tǒng)中的良好應(yīng)用前景。
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