SDRAM通用控制器的FPGA模塊化設(shè)計(jì)
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同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SDRAM)，在同一個(gè)CPU時(shí)鐘周期內(nèi)即可完成數(shù)據(jù)的訪問和刷新，其數(shù)據(jù)傳輸速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(DRAM)，被廣泛的應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中?；?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA的SDRAM控制器，以其可靠性高、可移植性強(qiáng)、易于集成的特點(diǎn)，已逐漸取代了以往的專用控制器芯片而成為主流解決方案。然而，SDRAM復(fù)雜的控制邏輯和要求嚴(yán)格的時(shí)序，成為開發(fā)過程中困擾設(shè)計(jì)人員主要因素，進(jìn)而降低了開發(fā)速度，而且大多數(shù)的基于FPGA的SDRAM控制器都是針對(duì)特定的SDRAM芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，無法實(shí)現(xiàn)控制器的通用性。本文介紹一種通用SDRAM控制器的FPGA模塊化解決方案。
SDRAM控制邏輯復(fù)雜，命令種類多樣,需要周期性刷新操作、行列管理的等多重操作。
SDRAM首先要進(jìn)行初始化操作。在上電后等待100ns， 至少執(zhí)行1條空操作，然后對(duì)所有頁執(zhí)行預(yù)充電操作，接著向各頁發(fā)出兩條刷新操作指令，最后執(zhí)行SDRAM工作模式的設(shè)定LMR命令用來配置SDRAM工作模式寄存器。SDRAM工作寄存器可以根據(jù)具體應(yīng)用的需要進(jìn)行設(shè)置。
初始后的SDRAM在得到了RAS、CAS、WE的值后開始執(zhí)行相應(yīng)的命令。在對(duì)SDRAM進(jìn)行讀、寫過程中，必須要先進(jìn)行頁激活A(yù)CT操作，保證存儲(chǔ)單元是打開的，以便從中讀取地址或者寫入地址，然后通過預(yù)充電PHC命令實(shí)現(xiàn)來關(guān)閉存儲(chǔ)單元。在進(jìn)行寫操作時(shí)，內(nèi)部的列地址和數(shù)據(jù)都會(huì)被寄存，而進(jìn)行讀操作時(shí)，內(nèi)部地址被寄存，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)則發(fā)生在CAS延遲時(shí)間(通常為1～3個(gè)時(shí)鐘周期)后。最后，操作終止：當(dāng)SDRAM順次的進(jìn)行讀、寫操作后，當(dāng)?shù)竭_(dá)到突發(fā)長度或者突發(fā)終止指令BT出現(xiàn)時(shí)，SDRAM將終止其操作。
模塊化的SDRAM控制器設(shè)計(jì)
在SDRAM控制器的FPGA實(shí)現(xiàn)方案中，采用了：FPGA的自底向上的模塊化設(shè)計(jì)思想，首先分析頂層模塊的功能，再將其功能分類細(xì)化，分配到不同的子模塊去實(shí)現(xiàn)，然后自底向上的先逐步完成各個(gè)子模塊的設(shè)計(jì)，最后將子模塊相互連接生成頂層模塊。經(jīng)過分析，SDRAM控制器應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能有：為SDRAM提供刷新控制以保持SDRAM中的數(shù)據(jù)；對(duì)主機(jī)的命令進(jìn)行仲裁，將下一步要執(zhí)行的命令翻譯成可與SDRAM連接的信號(hào)；為SDRAM的讀、寫生成數(shù)據(jù)路徑。因此，根據(jù)SDRAM的指令操作特點(diǎn)將SDRAM控制器劃分為接口控制模塊、命令生成模塊和數(shù)據(jù)路徑模塊三個(gè)主要模塊(圖1)。
下面，對(duì)其接口信號(hào)進(jìn)行介紹，需要注意的是，為了實(shí)現(xiàn)該控制器的通用性，ADDR、DATAIN、DATAOUT、DQ、DOM信號(hào)設(shè)計(jì)成可根據(jù)SDRAM的容量改變的形式。
與主機(jī)接口信號(hào)：CLK(系統(tǒng)時(shí)鐘)；RESET(系統(tǒng)復(fù)位)；CMD[2：0](譯碼指令)；CMDACK(指令應(yīng)答信號(hào))；ADDR[ASIZE-1：0】(地址線)；DATAIN/DATAOU[DSIZE-1：0](輸入、輸出數(shù)據(jù)總線)；DM[(DSIZE/8)-1：0】(數(shù)據(jù)掩碼)。
與SDRAM接口信號(hào)：SA(地址線)；BA(頁地址)；CS-N(片選信號(hào))；CKE(時(shí)鐘使能信號(hào))；RAS、CAS、WE(命令控制信號(hào)）；DQM[(DSIZE/8)-1：0](SDRAM數(shù)據(jù)掩碼)；DQ[DSIZE-1：0】(雙向數(shù)據(jù)線)。
各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
接口控制模塊
接口控制模塊主要實(shí)現(xiàn)的功能是將CMD[2：0]翻譯成接口指令和對(duì)刷新計(jì)數(shù)器的控制指令。接口模塊在工作過程中首先通過要通過狀態(tài)機(jī)來完成對(duì)CMD[2：0]的翻譯。在VHDL程序中聲明一個(gè)用戶自定義類型states，根據(jù)CMD[2：0】輸入來決定狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，完成對(duì)CMD[2：0】的解碼，部分代碼如下：
另外，SDRAM需要周期性刷新操作以保持?jǐn)?shù)據(jù)。在模塊的程序設(shè)計(jì)中，刷新周期的控制通過一個(gè)計(jì)數(shù)器來完成，到達(dá)規(guī)定的計(jì)數(shù)周期數(shù)時(shí)，接口模塊通過REF＿REQ信號(hào)向SDRAM發(fā)出刷新請(qǐng)求。直到SDRAM完成刷新操作，發(fā)出REF_AcK刷新應(yīng)答信號(hào)，計(jì)數(shù)器才重新賦值，開始下一次的計(jì)數(shù)。
命令生成模塊
命令生成模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入的SDRAM指令請(qǐng)求進(jìn)行仲裁判斷的功能，并將仲裁后要執(zhí)行的指令解碼成sDRAM需要的RAS、CAS等信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)指令對(duì)SDRAM的控制。仲裁機(jī)制是SDRAM控制器設(shè)計(jì)不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)。仲裁機(jī)制實(shí)現(xiàn)要遵循如下規(guī)則：
評(píng)論