DSP片外高速海量SDRAM存儲系統(tǒng)設(shè)計

在數(shù)字圖像處理、航空航天等高速信號處理應(yīng)用場合，需要有高速大容量存儲空間的強(qiáng)力支持，來滿足系統(tǒng)對海量數(shù)據(jù)吞吐的要求，通過使用大容量同步動態(tài)ram（sdram）來擴(kuò)展嵌入式dsp系統(tǒng)存儲空間的方法，選用issi公司的is42s16400高速sdram芯片，詳細(xì)論述在基于tms320c6201（簡稱c6201）的數(shù)字信號處理系統(tǒng)中此設(shè)計方法的具體實現(xiàn)。

1 is42s16400芯片簡介

is42s16400是issi公司推出的一種單片存儲容量高達(dá)64mb（即8mb）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(dá)133mhz時鐘頻率下，刷新頻率每64ms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(jìn)行讀寫訪問尋址。在進(jìn)行讀操作之間，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，然后送入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emif（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)1200mb/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ce1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c620x dsps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)用變的略顯復(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(jìn)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(jìn)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(jìn)行若干次刷新。計數(shù)器自動置為11b，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(dāng)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(dāng)某個ce空間配置為sdram空間后，必須首先進(jìn)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(jìn)行sdram存取過程中進(jìn)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(dāng)前打開的行地址，然后與后續(xù)存取訪問的地址進(jìn)行比較。需要說明的是，當(dāng)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(dāng)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(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＝0，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(jìn)行相應(yīng)的移位處理。地址的移位處理由sdcrl寄存器中的sdwid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sda10），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(fù)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64mb 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16mb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[13：12]，bank地址選擇線；a[11：0]行、列地址先；dq[15：0]，雙向數(shù)據(jù)端口。

由圖1可以看出，雖然c6201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(jìn)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200mhz，故而sdram的實際工作頻率為100mhz，（sdclk＝clkout2＝clkout1 frequency/2），即tcyc＝10ns。sdram被配置在ce2空間（起始邏輯地址為0x02000000）。

3.2 c6201 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。emifec2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＝70ns、trp＝18ns，trcd＝18ns，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(qiáng)制對sdram進(jìn)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64ms4096次，故根據(jù)公式period＝trefresh/tcyc，emif sdram時序控制寄存器中的period位段（位11～0）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：

＃include＜emif.h＞ … /＊其他用戶程序＊/ /＊讀出emif控制寄存器的默認(rèn)設(shè)置＊/

unsigned int g_ctrl＝get_reg（emif_gctrl）；

unsigned int ce0_ctrl＝get_reg（emif_ce0_ctrl）；

unsigned int ce1_ctrl＝get_reg（emif_ce1_ctrl）；

unsigned int ce2_ctrl＝get_reg（emif_ce2_ctrl）；

unsigned int ce3_ctrl＝get_reg（emif_ce3_ctrl）；

unsigned int sdram_ctrl＝get_reg（emif_sdram_ctrl）；

unsigned int sdram_ref＝get_reg（emif_sdram_ref）；

/＊emif全局控制寄存器－使能sdclk＊/

set_bit（＆g_ctrl，sdcen）；

/＊設(shè)置ce2為sdram空間＊/

load_field（＆ce2_ctrl，mtype_23sdram，mtype，mtype_sz）；

/＊設(shè)置sdram控制寄存器＊/

load_field（＆sdram_ctrl，6，trc，trc_sz）；

load_field（＆sdram_ctrl，1，trp，trp_sz）；

load_field（＆sdram_ctrl，1，trcd，trcd_sz）；

set_bit（＆sdrrm_ctrl，sdwid）；

set_bit（＆sdrrm_ctrl，init）；

set_bit（＆sdrrm_ctrl，rfen）；

/＊設(shè)置sdram的刷新周期＊/

load_field（＆sdram_ref，0x61a，period，period_sz）；

/＊重配制emif控制寄存器＊/

emif_inif（g_ctrl，ce0_ctrl，cel_ctrl，ce2_ctrl，ce3_ctrl， sdram_ctrl，sdram_ref）；

…/＊其他用戶程序＊/

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在嵌入式系統(tǒng)中的良好應(yīng)用前景。