DSP片外高速海置SDRAM存儲系統(tǒng)設(shè)計
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作者：哈爾濱工程大學(xué) 劉偉 劉洋 焦淑紅
時間：2006-11-02
來源：21IC中國電子網(wǎng)
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1 IS42S16400芯片簡介
IS42S16400是ISSl公司推出的一種單片存儲容量高達64 Mb(即8 MB)的16位字寬高速SDRAM芯片。SDRAM的主要特點是：①同步訪問，讀寫操作需要時鐘；②動態(tài)存儲，芯片需要定時刷新。IS42S16400采用CMOS工藝，它的同步接口和完全流水線的內(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133 MHz的時鐘頻率下，刷新頻率每64 ms為4096次。該SDRAM芯片內(nèi)部有4個存儲體(bank)，通過行、列地址分時復(fù)用系統(tǒng)地址總線，對不同存儲體內(nèi)不同頁面的具體存儲單元進行讀寫訪問尋址。在進行讀操作之前，必須預(yù)先激活SDRAM內(nèi)對應(yīng)的存儲體，并選擇存儲器的某一行，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)之間存在一個存取延遲。如果訪問新的頁面，則先需要關(guān)閉所有的存儲體，否則已打開的頁面將一直有效。在寫操作之前，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輸出數(shù)據(jù)，沒有延遲。IS42S16400提供自刷新模式的設(shè)置，可以使芯片運行在低功耗的狀態(tài)下，從而大大減少嵌入式系統(tǒng)的功率消耗。
2 C6201與SDRAM的外部存儲器接口
DSP芯片訪問片外存儲器時必須通過外部存儲器接口EMlF(External Memory Interface)。C6000系列DSPs的EMIF具有很強的接口能力，不僅具有很高的數(shù)據(jù)吞吐率(最高達1200 MB／s)，而且可以與目前幾乎所有類型的存儲器直接接口。在C6201系統(tǒng)中，提供了4個彼此獨立的外存接口(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
為了提高存儲容量，SDRAM采用硅片電容來存儲信息。隨著時間的推移，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，帶來了一定的應(yīng)用難度。
C6000系列DSPs有專門的SDRAM控制寄存器(SDTCL)和SDRAM時序控制寄存器(SDTIM)，用來進行SDRAM的各種時序控制，大大減輕了設(shè)計人員的開發(fā)難度。SDCTL寄存器中的RFEN位控制是否由EMIF完成對SDRAM的刷新。如果RFEN=1，EMIF會控制向所有的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，會自動插入一個DCAB命令，以保證刷新過程中所有的SDRAM都處于未激活狀態(tài)。DCAB命令之后，EMIF開始按照SDTIM寄存器中PERD字段設(shè)置的值進行定時刷新。刷新前后，頁面信息會變?yōu)闊o效。
對于C620X，EMIF SDRAM控制模塊內(nèi)部有一個2位的計數(shù)器，用來監(jiān)測提交的刷新申請的次數(shù)。每提交一個申請，計數(shù)器加1；每次刷新周期之后，計數(shù)器減1。復(fù)位時，計數(shù)器自動置為11b，以保證在存取訪問之前先進行若干次刷新。計數(shù)器的值為llb，代表緊急刷新狀態(tài)，此時頁面信息寄存器變無效，迫使控制器關(guān)閉當前的SDRAM頁面。然后，EMIF SDRAM控制器在DCAB命令后執(zhí)行3次
REFR命令，使計數(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
當某個CE空間配置為SDRAM空間后，必須首先進行初始化。用戶不需要控制初始化的每一個步驟，只需要向EMIF SDCTL寄存器的INIT位寫1，申請對SDRAM作初始化。然后，EMIF就會自動完成所需要的各步操作。初始化操作不能在進行SDRAM存取過程中進行。整個初始化過程包括下面幾個步驟：
①對所有的SDRAM空間發(fā)出DCAB命令；
②執(zhí)行3個REFR命令；
③對所有的SDRAM空間發(fā)出MRS命令。
2.3頁面邊界控制
SDRAM屬于分頁存儲器，EMIF的SDRAM控制器會監(jiān)測訪問SDRAM時行地址的情況，避免訪問時發(fā)生行越界。為了完成這一任務(wù)，EMIF在內(nèi)部有四個頁面寄存器，自動保存當前打開的行地址，然后與后續(xù)存取訪問的地址進行比較。需要說明的是，當前存取操作結(jié)束并不會引起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前的打開狀態(tài)，除非必須關(guān)閉。這樣做的好處是可以減少關(guān)閉／重新打開之間的命令切換時間，使接口在存儲器訪問的控制過程中充分利用地址信息。
對于C620X，每個CE空間包含1個頁面寄存器(只對配置為SDRAM空間有效)，因此C620X每個CE空間1次只能激活1頁。進行比較的地址位數(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)存取訪問發(fā)生了頁面越界，EMIF會自動執(zhí)行DCAB操作，然后再開始新的行訪問。
2．4訪問地址的移位
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接口需要對行地址與列地址進行相應(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，對于SDRAM，因為輸入地址也是控制信號，因此需要說明以下幾點：
①RAS有效期間的高位地址信號會被EMIF內(nèi)部SDRAM控制器鎖存，以保證執(zhí)行READ和WRT命令時選通正確的bank；
②READ／WRT操作期間，EMIF會保持pre-charge信號為低(C620X是SDAl0)，以防止READ／WRT命令執(zhí)行后發(fā)生auto pre—charge操作。
2.5接口時序的設(shè)計
對于C620X，EMIF與SDRAM的接口時序由SDCTL寄存器控制。EMIF提供了5個時序參數(shù)，其中3個在SDCTL寄存器中設(shè)置，另外2個為固定值，如表3所列。在分析接口時序的配合情況時，需要計算“富裕時間”tmargin的大小，這是在考慮了SDRAM芯片的器件手冊提供的最壞情況之后，得到的時序上的一個裕量。至于tmargin值的大小，是系統(tǒng)設(shè)計層需要考慮的問題，具體要求隨不同的系統(tǒng)而異，而且與印制板的實際布線情況以及負載的情況密切相關(guān)。
3 系統(tǒng)設(shè)計中IS42S16400芯片的應(yīng)用
3.1 C6201與IS42S16400的接口實現(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接口，為了使整個系統(tǒng)的存儲空間保持連續(xù)，使用2片SDRAM與DSP芯片組成實際大小為16 MB的外部存儲系統(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)同步時鐘；RAS，行地址選擇；CAS，列地址選擇；WE，讀／寫使能；CKE，時鐘使能；DQMU、DQML，高低字節(jié)使能；A[13：123]，Bank地址選擇線；A[11：0]，行、列地址線；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只有EA[21：2]。一般情況下，EA2信號對應(yīng)邏輯地址A2，但這并不意味著DSP芯片訪問外存時只能進行word(32位)的存取。實際內(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)訪問的。更高位邏輯地址經(jīng)譯碼后輸出CE[3：0]。
在實際的系統(tǒng)實現(xiàn)中，C6201的CLKOUT1時鐘頻率為200 MHz，故而SDRAM的實際工作頻率為100 MHz(SDCLK=CLKOUT2=CLKOUT1 frequency／2)，即tcyc=10 ns。SDRAM被配置在CE2空問(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，用來使能SDRAM同步時鐘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，用來配置CE2為32位寬的SDRAM空間。由IS42S16400數(shù)據(jù)手冊可查得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，用來強制對SDRAM進行上電初始化。RFEN位(位25)置1，用來使能EMIF對SDRAM的刷新。SDWID位(位26)置1，用來向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時序控制寄存器中的PERIOD位段(位11～O)被設(shè)置為0x61A。
3．3 CCS開發(fā)環(huán)境中SDRAM配置程序源代碼
TI公司的集成開發(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
以上介紹了TMS320C6201 DSP芯片與SDRAM(IS42S16400)的具體硬件接口實現(xiàn)。由于SDRAM具有的大容量、高速度和低價格的優(yōu)勢，使用SDRAM構(gòu)建嵌入式應(yīng)用海量存儲系統(tǒng)會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、大容量主存儲器具有非常明顯的優(yōu)勢，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
當某個CE空間配置為SDRAM空間后，必須首先進行初始化。用戶不需要控制初始化的每一個步驟，只需要向EMIF SDCTL寄存器的INIT位寫1，申請對SDRAM作初始化。然后，EMIF就會自動完成所需要的各步操作。初始化操作不能在進行SDRAM存取過程中進行。整個初始化過程包括下面幾個步驟：
①對所有的SDRAM空間發(fā)出DCAB命令；
②執(zhí)行3個REFR命令；
③對所有的SDRAM空間發(fā)出MRS命令。
2.3頁面邊界控制
SDRAM屬于分頁存儲器，EMIF的SDRAM控制器會監(jiān)測訪問SDRAM時行地址的情況，避免訪問時發(fā)生行越界。為了完成這一任務(wù)，EMIF在內(nèi)部有四個頁面寄存器，自動保存當前打開的行地址，然后與后續(xù)存取訪問的地址進行比較。需要說明的是，當前存取操作結(jié)束并不會引起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前的打開狀態(tài)，除非必須關(guān)閉。這樣做的好處是可以減少關(guān)閉／重新打開之間的命令切換時間，使接口在存儲器訪問的控制過程中充分利用地址信息。
對于C620X，每個CE空間包含1個頁面寄存器(只對配置為SDRAM空間有效)，因此C620X每個CE空間1次只能激活1頁。進行比較的地址位數(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)存取訪問發(fā)生了頁面越界，EMIF會自動執(zhí)行DCAB操作，然后再開始新的行訪問。
2．4訪問地址的移位
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接口需要對行地址與列地址進行相應(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，對于SDRAM，因為輸入地址也是控制信號，因此需要說明以下幾點：
①RAS有效期間的高位地址信號會被EMIF內(nèi)部SDRAM控制器鎖存，以保證執(zhí)行READ和WRT命令時選通正確的bank；
②READ／WRT操作期間，EMIF會保持pre-charge信號為低(C620X是SDAl0)，以防止READ／WRT命令執(zhí)行后發(fā)生auto pre—charge操作。
2.5接口時序的設(shè)計
對于C620X，EMIF與SDRAM的接口時序由SDCTL寄存器控制。EMIF提供了5個時序參數(shù)，其中3個在SDCTL寄存器中設(shè)置，另外2個為固定值，如表3所列。在分析接口時序的配合情況時，需要計算“富裕時間”tmargin的大小，這是在考慮了SDRAM芯片的器件手冊提供的最壞情況之后，得到的時序上的一個裕量。至于tmargin值的大小，是系統(tǒng)設(shè)計層需要考慮的問題，具體要求隨不同的系統(tǒng)而異，而且與印制板的實際布線情況以及負載的情況密切相關(guān)。
3 系統(tǒng)設(shè)計中IS42S16400芯片的應(yīng)用
3.1 C6201與IS42S16400的接口實現(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接口，為了使整個系統(tǒng)的存儲空間保持連續(xù)，使用2片SDRAM與DSP芯片組成實際大小為16 MB的外部存儲系統(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)同步時鐘；RAS，行地址選擇；CAS，列地址選擇；WE，讀／寫使能；CKE，時鐘使能；DQMU、DQML，高低字節(jié)使能；A[13：123]，Bank地址選擇線；A[11：0]，行、列地址線；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只有EA[21：2]。一般情況下，EA2信號對應(yīng)邏輯地址A2，但這并不意味著DSP芯片訪問外存時只能進行word(32位)的存取。實際內(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)訪問的。更高位邏輯地址經(jīng)譯碼后輸出CE[3：0]。
在實際的系統(tǒng)實現(xiàn)中，C6201的CLKOUT1時鐘頻率為200 MHz，故而SDRAM的實際工作頻率為100 MHz(SDCLK=CLKOUT2=CLKOUT1 frequency／2)，即tcyc=10 ns。SDRAM被配置在CE2空問(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，用來使能SDRAM同步時鐘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，用來配置CE2為32位寬的SDRAM空間。由IS42S16400數(shù)據(jù)手冊可查得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，用來強制對SDRAM進行上電初始化。RFEN位(位25)置1，用來使能EMIF對SDRAM的刷新。SDWID位(位26)置1，用來向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時序控制寄存器中的PERIOD位段(位11～O)被設(shè)置為0x61A。
3．3 CCS開發(fā)環(huán)境中SDRAM配置程序源代碼
TI公司的集成開發(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
以上介紹了TMS320C6201 DSP芯片與SDRAM(IS42S16400)的具體硬件接口實現(xiàn)。由于SDRAM具有的大容量、高速度和低價格的優(yōu)勢，使用SDRAM構(gòu)建嵌入式應(yīng)用海量存儲系統(tǒng)會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、大容量主存儲器具有非常明顯的優(yōu)勢，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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