SDRAM在任意波形發(fā)生器中的應(yīng)用

1 任意波形發(fā)生器的總體方案

　　工作頻率、分辨率和存儲長度是任意波形發(fā)生器最關(guān)鍵的三個(gè)性能參數(shù)。高的工作頻率意味著高的輸出信號頻率和帶寬,高的分辨率通常意味著高的信噪比,而存儲長度決定了信號的精確程度。下面介紹的方案是筆者實(shí)際開發(fā)的一款任意波形發(fā)生器/卡(如圖1所示),它的工作頻率為300MHz,分辨率為14位,存儲長度為8M字,現(xiàn)已得到了廣泛地應(yīng)用。

　　該電路主要有兩種工作狀態(tài):寫數(shù)據(jù)狀態(tài)和讀數(shù)據(jù)狀態(tài)。下面簡單描述其工作過程。

　　寫數(shù)據(jù)狀態(tài):CPU根據(jù)所要設(shè)計(jì)的波形計(jì)算波形數(shù)據(jù),并轉(zhuǎn)換成14位的無符號數(shù)；打開總線開關(guān),屏蔽FIFO操作,在SDRAM控制器的配合下,將波形數(shù)據(jù)通過接口電路交替寫入SDRAM1和SDRAM2中,即SDRAM1中依次存放數(shù)據(jù)0，2，4，6...；SDRAM2中依次存放數(shù)據(jù)1，3，5，7...(如表1所示)。

　　讀數(shù)據(jù)狀態(tài):開啟FIFO通道,關(guān)閉總線開關(guān)以斷開SDRAM與CPU之間的數(shù)據(jù)連接；在SDRAM控制器的控制下,將SDRAM1/2中的數(shù)據(jù)同時(shí)(并行)讀出；經(jīng)過FIFO的緩沖得到連續(xù)的數(shù)據(jù)流,再經(jīng)32位向16位的并串轉(zhuǎn)換,將數(shù)據(jù)速率提升2倍后,供給DAC進(jìn)行數(shù)-模轉(zhuǎn)換,即可得到所編輯的信號。

　　圖1中用兩片SDRAM并行工作,是因單片SDRAM不可能提供300MSPS的數(shù)據(jù)流。實(shí)際使用的器件是K4S641632C-TC60,工作時(shí)鐘為166MHz。FIFO緩存SDRAM的輸出數(shù)據(jù),將突發(fā)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成連續(xù)數(shù)據(jù)流,使得在SDRAM處于刷新狀態(tài)時(shí),仍能維持正常的數(shù)據(jù)輸出。實(shí)際使用的器件是兩片并行工作的IDT72V263L6PF,寫入時(shí)鐘為166MHz,讀出時(shí)鐘為150MHz。并串轉(zhuǎn)換的作用是提升數(shù)據(jù)的速率,在DAC器件內(nèi)部完成,筆者采用具有良好動(dòng)態(tài)性能的AD9755AST。CPU及控制接口是一個(gè)基于PC的ISA設(shè)備,可改進(jìn)為PCI設(shè)備；時(shí)鐘電路用來產(chǎn)生166MHz和150MHz的同步時(shí)鐘。下面重點(diǎn)研究SDRAM控制器的設(shè)計(jì),它是本系統(tǒng)的主要特色之一。

2 SDRAM控制器的設(shè)計(jì)

2.1 SDRAM的主要特點(diǎn)

　　與靜態(tài)存儲器(SRAM)相比,SDRAM的容量大(通常是幾倍至幾十倍的關(guān)系)；與DDR SDRAM或RDRAM相比,它的控制又相對簡單,因而它依然是大容量存儲器工程項(xiàng)目的良好選擇。下面描述的幾個(gè)重要基本概念反映了它的主要特點(diǎn)。

　　行列地址:SDRAM的地址是行列復(fù)用的,此舉有效減少了芯片的引腳。

　　預(yù)充電:讀寫操作只對預(yù)充電過的行有效。也就是說,在數(shù)據(jù)讀寫操作跨行時(shí),需要先進(jìn)行至少一次的預(yù)充電操作。

　　自動(dòng)刷新:眾所周知,只要是動(dòng)態(tài)RAM,就存在刷新問題,SDRAM也不例外。通常每隔64ms需要將所有存儲單元刷新一遍。

　　自刷新:當(dāng)需要保留芯片內(nèi)的數(shù)據(jù),而暫時(shí)又不需要操作時(shí),可以設(shè)置芯片進(jìn)入自刷新狀態(tài)。

　　工作模式寄存器:控制SDRAM工作方式的寄存器(如表2所示)。

2.2 SDRAM的狀態(tài)流程

　　SDRAM的完整狀態(tài)機(jī)由17個(gè)狀態(tài)構(gòu)成,且狀態(tài)轉(zhuǎn)移是非隨機(jī)的(如圖2所示)。正是如此眾多的狀態(tài)及其復(fù)雜的轉(zhuǎn)換關(guān)系,導(dǎo)致SDRAM的控制較為復(fù)雜。

　　需要特別說明的是,SDRAM的狀態(tài)轉(zhuǎn)移有自動(dòng)轉(zhuǎn)移與人工轉(zhuǎn)移之分(圖2中以粗細(xì)箭頭加以區(qū)別)。自動(dòng)轉(zhuǎn)移在當(dāng)前狀態(tài)結(jié)束后立即進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)；而人工轉(zhuǎn)移在當(dāng)前狀態(tài)結(jié)束后即停留在當(dāng)前狀態(tài),只有一條當(dāng)前狀態(tài)允許的命令才能進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)。

　　可以想象,自行設(shè)計(jì)如此復(fù)雜的控制流程絕非易事。值得慶幸的是,在大多數(shù)應(yīng)用中并不需要完備的狀態(tài)機(jī)。下面討論一種簡化的SDRAM狀態(tài)機(jī)。

2.3 簡化的狀態(tài)流程

　　根據(jù)任意波形發(fā)生器的特點(diǎn),對SDRAM的功能進(jìn)行了以下簡化:

　　(1)省略隨機(jī)存取功能,固定為順序讀寫；

　　(2)省略待機(jī)、自刷新、普通讀/寫功能；

　　(3)省略所有的掛起功能；

　　(4)工作模式固定為突發(fā)式讀、單個(gè)式寫；

　　(5)數(shù)據(jù)延時(shí)固定為3個(gè)時(shí)鐘周期；

　　(6)刷新模式只使用自動(dòng)刷新方式,器件空閑時(shí)即處于連續(xù)的自動(dòng)刷新狀態(tài)；

　　(7)器件僅在上電后進(jìn)行一次初始化,不能改變工作模式；

　　(8)突發(fā)方式固定為順序方式,突發(fā)長度固定為整頁；

　　(9)只使用帶預(yù)充電的讀/寫指令；在每次讀/寫操作完成后,即啟動(dòng)一個(gè)自動(dòng)刷新周期。

　　經(jīng)過以上簡化的狀態(tài)機(jī)如圖3所示。

2.4 SDRAM控制器的EPLD實(shí)現(xiàn)

　　為了實(shí)現(xiàn)上述簡化的SDRAM控制功能,采用一片ALTERA公司生產(chǎn)的EPLD器件MAX7256ATC144-6。圖4是任意波形發(fā)生器SDRAM控制流示意圖。由于具體編程要涉及許多細(xì)節(jié)問題,在此不做贅述,其主要功能如下:

　　(1)通過ISA總線,實(shí)現(xiàn)與CPU的接口,接收波形數(shù)據(jù)和讀命令；

　　(2)上電自動(dòng)初始化；

　　(3)生成23位(8M字存儲器空間)的線性地址,并按行列復(fù)用的方式輸出；

　　(4)生成SDRAM的控制信號,完成讀、寫和自動(dòng)刷新功能；

　　(5)控制FIFO,以解決SDRAM刷新和波形長度不是頁長度的倍數(shù)問題。

　　雖然完全應(yīng)用SDRAM確實(shí)比較復(fù)雜,但只要本著“夠用就行”的原則,對其功能進(jìn)行合理的簡化,設(shè)計(jì)出具有特殊需求、適用于特定條件的SDRAM控制器是完全可行的。目前,筆者已將基于SDRAM的任意波形發(fā)生器應(yīng)用到多個(gè)研發(fā)項(xiàng)目中。

參考文獻(xiàn)

1 K4S641632C Data Sheet. Samsung Inc， June 1999.

2 MAX7000A Data Sheet. IDT Inc， October 2000.

3 宋萬杰.CPLD技術(shù)及應(yīng)用.西安：西安電子科技大學(xué)出版社, 2001