SDRAM通用控制器的FPGA模塊化設(shè)計

摘要： 介紹了一種SDRAM通用控制器的FPGA模塊化解決方案。
關(guān)鍵詞： SDRAM控制器；FPGA；VHDL；狀態(tài)機；仲裁機制

引言

同步動態(tài)隨機存儲器(SDRAM)，在同一個CPU時鐘周期內(nèi)即可完成數(shù)據(jù)的訪問和刷新，其數(shù)據(jù)傳輸速度遠遠大于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲器(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://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA的SDRAM控制器，以其可靠性高、可移植性強、易于集成的特點，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復雜的控制邏輯和要求嚴格的時序，成為開發(fā)過程中困擾設(shè)計人員主要因素，進而降低了開發(fā)速度，而且大多數(shù)的基于FPGA的SDRAM控制器都是針對特定的SDRAM芯片進行設(shè)計，無法實現(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及其控制過程

SDRAM控制邏輯復雜，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，然后對所有頁執(zhí)行預充電操作，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SDRAM進行讀、寫過程中，必須要先進行頁激活ACT操作，保證存儲單元是打開的，以便從中讀取地址或者寫入地址，然后通過預充電PHC命令實現(xiàn)來關(guān)閉存儲單元。在進行寫操作時，內(nèi)部的列地址和數(shù)據(jù)都會被寄存，而進行讀操作時，內(nèi)部地址被寄存，數(shù)據(jù)的存儲則發(fā)生在CAS 延遲時間(通常為1～3個時鐘周期)后。最后，操作終止：當SDRAM順次的進行讀、寫操作后，當?shù)竭_到突發(fā)長度或者突發(fā)終止指令BT出現(xiàn)時，SDRAM將終止其操作。
    
模塊化的SDRAM控制器設(shè)計

在SDRAM控制器的FPGA實現(xiàn)方案中，采用了FPGA的自底向上的模塊化設(shè)計思想，首先分析頂層模塊的功能，再將其功能分類細化，分配到不同的子模塊去實現(xiàn)，然后自底向上的先逐步完成各個子模塊的設(shè)計，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)；對主機的命令進行仲裁，將下一步要執(zhí)行的命令翻譯成可與SDRAM連接的信號；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)路徑模塊三個主要模塊(圖1)。

圖1  SDRAM控制器的FPGA模塊化設(shè)計方案

下面，對其接口信號進行介紹，需要注意的是，為了實現(xiàn)該控制器的通用性，ADDR、DATAIN、DATAOUT、DQ、DOM信號設(shè)計成可根據(jù)SDRAM的容量改變的形式。

與主機接口信號：CLK(系統(tǒng)時鐘)；RESET(系統(tǒng)復位)；CMD[2:0](譯碼指令)；CMDACK(指令應(yīng)答信號)；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：SA(地址線)；BA(頁地址)；CS_N(片選信號)；CKE(時鐘使能信號)；RAS、CAS、WE(命令控制信號)；DQM[(DSIZE/8)-1:0](SDRAM數(shù)據(jù)掩碼)；DQ[DSIZE-1:0](雙向數(shù)據(jù)線)。

各個模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

接口控制模塊

接口控制模塊主要實現(xiàn)的功能是將CMD[2:0]翻譯成接口指令和對刷新計數(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)機來完成對CMD[2:0]的翻譯。在VHDL程序中聲明一個用戶自定義類型states，根據(jù)CMD[2:0]輸入來決定狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，完成對CMD[2:0]的解碼，部分代碼如下：
type states is(nop，reada，writea，refresh，
precharge，load_mode);
signal state : states ;
………………
case cmd is
 when "011" => state<=refresh;
 when "111" => state<=nop;
………………

另外，SDRAM需要周期性刷新操作以保持數(shù)據(jù)。在模塊的程序設(shè)計中，刷新周期的控制通過一個計數(shù)器來完成，到達規(guī)定的計數(shù)周期數(shù)時，接口模塊通過REF_REQ信號向SDRAM發(fā)出刷新請求。直到SDRAM完成刷新操作，發(fā)出REF_ACK刷新應(yīng)答信號，計數(shù)器才重新賦值，開始下一次的計數(shù)。

命令生成模塊

命令生成模塊實現(xiàn)對輸入的SDRAM指令請求進行仲裁判斷的功能，并將仲裁后要執(zhí)行的指令解碼成SDRAM需要的RAS、CAS等信號，從而實現(xiàn)指令對SDRAM的控制。仲裁機制是SDRAM控制器設(shè)計不可或缺的一個環(huán)節(jié)。仲裁機制實現(xiàn)要遵循如下規(guī)則：
*SDRAM在每一刻只有一個指令在執(zhí)行；
*先到的指令先執(zhí)行，如果刷新請求到來時，其它命令正在執(zhí)行中，要等到當前命令執(zhí)行完成后，才能執(zhí)行刷新指令；
*其它指令和刷新請求同時到來時刷新操作先執(zhí)行。
經(jīng)過仲裁判斷后，指令將傳入命令生成器。命令生成器不僅要把指令解碼成SDRAM需要的RAS、CAS等信號，同時還要對命令執(zhí)行的時間進行控制。下面的例程僅供參考。
if (do_state=refresh or do_state=reada or
 do_state=writea
 or do_state=precharge or
 do_state=load_mode)then
command_delay(7 downto
0)<="11111111";
 ------移位寄存器初值
command_done<='1';
………………
else
 command_done<=command_delay(0);     
  移位操作
 command_delay(6 downto 0)<=
 command_delay(7 downto 1);
 command_delay(7)<='0';
end if;

下面介紹輸入的指令為writea和reada指令時模塊所進行的操作。當SDRAM的writea和reada指令到來時，將引發(fā)一系列指令的執(zhí)行，和其它指令相比需要更多的附加時間。所以，在這種情況下需要聲明第二個移位寄存器rw_shift來完成這兩個指令的附加時間的實現(xiàn)。rw_shift的工作原理和第一個移位寄存器command_delay是一樣的，需根據(jù)讀、寫的時間決定rw_shift的位數(shù)。

最后一個移位寄存器oe_shift用來為數(shù)據(jù)通道生成數(shù)據(jù)輸入、輸出使能信號oe。對于非頁模式的讀寫來說，oe保持有效的時間取決于突發(fā)長度，需要注意的是，讀操作時，oe有效的起始時間取決于CAS延時時間，而對于寫操作，則在寫指令開始時oe就是有效的。

數(shù)據(jù)路徑模塊

數(shù)據(jù)路徑模塊的作用是在writea和reada命令期間生成數(shù)據(jù)的路徑。在用VHDL語言程序中，用簡單的賦值語句就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)路徑模塊。

通用性的實現(xiàn)

根據(jù)SDRAM控制器的FPGA模塊化設(shè)計方案生成的FPGA控制器易于修改和擴展，具有可通用的特性。在具體的應(yīng)用中，針對不同的SDRAM，并不需要更改SDRAM控制器結(jié)構(gòu)，只要根據(jù)datasheet中的SDRAM的容量將地址線數(shù)和數(shù)據(jù)的位數(shù)做相應(yīng)修改，再依據(jù)SDRAM的時序和讀、寫速度更改接口控制模塊中的時間信號的周期，如刷新周期、命令生成模塊中移位寄存器的位數(shù)和初值等，這樣就可以對不同的SDRAM進行控制。最后，生成的SDRAM控制器頂層模塊如圖2所示。為了證明該控制器設(shè)計方案的可行性和通用性，在Altera公司的Cyclone系列FPGA——EP1C6Q240C8中生成SDRAM控制器，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊中SDRAM的參數(shù)對控制器各模塊的VHDL語言程序做相應(yīng)的改動，實現(xiàn)了對三星公司的8MByte SDRAM K4S641632E和2MByte SDRAM K4S161622D的控制，均達到了100MHz的讀、寫速度。

圖2 SDRAM控制器接口

結(jié)語

本方案采用的模塊化思想為SDRAM控制器的開發(fā)提供了一種層次分明、易于擴展的設(shè)計思路。實驗結(jié)果表明，該控制器設(shè)計緊湊，維護升級方便，易于實現(xiàn)對SDRAM的通用化控制，這無疑將極大的提高SDRAM應(yīng)用的開發(fā)速度。

參考文獻：
1.  王誠、吳華、范麗珍等，Altera FPGA/CPLD設(shè)計(基礎(chǔ)篇)，人民郵電出版社,2005,7
2.  劉云清、佟首峰、姜會林，利用FPGA實現(xiàn)SDRAM控制器的設(shè)計，長春理工大學學報，2005,28(4):47-50.
3.  SDR SDRAM controller white paper.,ALTERA corporation, 2002,8. http://www.altera.com/ literature.