FPGA與SDRAM的連接

1、基于FPGA的SDRAM控制器的設計和實現(xiàn)0 引言隨著電子技術在工業(yè)、醫(yī)療、商業(yè)等領域的發(fā)展，人們對數(shù)據(jù)傳輸率的要求越來越高，傳統(tǒng)的單片機早已不能滿足這種高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。與此同時，可編程的邏輯器件FPGA/CPLD以其強大的功能，開發(fā)過程投資小、周期短，可反復編程修改，開發(fā)工具智能化等特點，成為當今硬件設計的潮流；相比而言，F(xiàn)PGA即現(xiàn)場可編程門陣列，它的集成度高，可完成極其復雜的時序與組合邏輯電路功能，更適用于高速、高密度的高端數(shù)字邏輯電路設計領域1。SDRAM即：同步動態(tài)隨即存儲器，與傳統(tǒng)的DRAM有很大區(qū)別。它可以與系統(tǒng)總線以同頻率工作，用同一個CPU時鐘周期即可完成數(shù)據(jù)的訪問和刷新

2、，進而大大的提高了數(shù)據(jù)傳輸率，其速度遠大于DRAM。因而，SDRAM常作為數(shù)據(jù)緩存應用于高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中。目前，許多嵌入式設備的大容量、高速度存儲器都采用SDRAM來實現(xiàn)，而且大多都是用專用芯片完成其控制電路，這不但提高了設計成本，而且使系統(tǒng)的硬件電路變得復雜。隨著FPGA在嵌入式系統(tǒng)中的廣泛應用，如果我們能夠結合具體的需要，利用FPGA來設計自己的SDRAM控制器，這些問題就迎刃而解了。然而，SDRAM的控制邏輯復雜、時序要求嚴格，常常困擾設計人員。有很多文章2，3，4，5詳細的介紹了SDRAM的工作原理、控制時序和指令特點，以及基于FPGA的SDRAM控制器的實現(xiàn)方法，但是并沒有詳細的給

3、出控制器內部結構和指令時序的控制問題。因此。本文將介紹一種基于FPGA的通用SDRAM控制器，并著重介紹設計方案中各模塊的功能和實現(xiàn)方法。該控制器用VHDL語言程序實現(xiàn)，完成了SDRAM指令狀態(tài)轉換、信號仲裁判斷，并巧妙的用三個移位寄存器解決了指令的邏輯和時序的問題。1. SDRAM簡介SDRAM具有空間存儲量大、讀寫速度快、價格相對便宜的特點。但其控制邏輯復雜，需要周期性刷新操作、行列管理、不同延時和命令序列等。1.1 SDRAM地址結構SDRAM的存儲地址分為頁（bank）地址，行（row）地址和列（column）地址。例如一個8MByte的SDRAM，被分為4個bank，即1個bank為

4、2MByte，每個bank包括12行8列。1.2 SDRAM的指令SDRAM的一系列指令如表1所示，每個指令最終都是通過控制RAS、CAS、WE信號來實現(xiàn)。通常對SDRAM的操作過程如下：表1 SDRAM命令（1） SDRAM初始化操作：上電后至少等待100ns，然后至少執(zhí)行1條空操作；對所有頁執(zhí)行預充電操作；向各頁發(fā)出兩條刷新操作指令；最后執(zhí)行SDRAM工作模式的設定LMR命令用來配置SDRAM工作模式寄存器，SDRAM工作寄存器如表2所示。其中A11A10是用戶保留位；A9用來配置寫突發(fā)模式；A8A7是操作模式，通常為“00”,代表標準操作模式；A6A4設置CAS延遲時間；A3決定突發(fā)操作

5、模式是順序還是間隔型；最后的三位A2A0用來配置突發(fā)長度。表2 SDRAM工作寄存器A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0ReserveWrite burst modeOperating modeLatency modeBurst typeBurst length（2） SDRAM讀、寫操作：根據(jù)實際應用的需要，發(fā)出讀、寫指令。SDRAM可實現(xiàn)突發(fā)式讀寫，支持的突發(fā)長度可配置為1個、2個、4個、8個數(shù)據(jù)周期或者頁模式。并且突發(fā)的模式可以配置為順序或者間隔型。對SDRAM進行訪問的最主要操作就是讀RD和寫WR操作。SDRAM在進行讀寫操作時，必須要先進行頁激活ACT操作，以保證存儲

6、單元是打開的，以便從中讀取地址或者寫入地址，關閉存儲單元通過預充電PHC命令實現(xiàn)。在進行寫操作時，內部的列地址和數(shù)據(jù)就會被寄存；進行讀操作時，內部地址被寄存，等待CAS 延遲時間（通常為13個時鐘周期）后，讀出的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上，具體時序詳見SDRAM數(shù)據(jù)手冊，此處不再贅述。（3） 操作終止：當SDRAM接收到讀、寫指令后，開始進行順次的讀寫操作，直到達到突發(fā)長度或者突發(fā)終止指令BT出現(xiàn)。2 SDRAM控制器方案 SDRAM控制器【6】針對SDRAM的指令操作特點，為SDRAM提供同步命令接口和時序邏輯控制，下面將以ALTERA公司的Cyclone系列FPGA為例，主機系統(tǒng)時鐘為100MH

7、z，使用三星公司的K4S641632E，8MByte SDRAM【7】，介紹SDRAM控制器的具體設計方法。圖1為SDRAM控制器的接口原理圖。圖1 SDRAM控制器接口原理圖接口信號介紹：（1） 與主機接口信號： CLK：系統(tǒng)時鐘信號； RESET:：系統(tǒng)復位信號；CMD2:0：譯碼指令，如表3所示；CMDACK：指令應答信號，通知主機命令已被SDRAM執(zhí)行；ADDR：地址線，根據(jù)具體情況確定位數(shù)，本例中為22位，A21、A20代表頁地址BA1,BA0；A19A8代表行地址；A7A0代表列地址；DATAIN/DATAOU：輸入、輸出數(shù)據(jù)總線；DM：數(shù)據(jù)掩碼；（2） 與SDRAM接口信號：SA

8、DDR：12位地址線，在讀、寫操作時，地址線分時復用為行地址和列地址；BA：頁地址，BA0，BA1；CS：片選信號；CKE：時鐘使能信號；RAS、CAS、WE：命令控制信號；DQM：SDRAM數(shù)據(jù)掩碼；DQ：雙向數(shù)據(jù)線；SDRAM控制器作為頂層模塊，由3個主要模塊組成：接口控制模塊、命令生成模塊、數(shù)據(jù)路徑模塊。下面將詳細的介紹各個模塊的功能和關鍵設計的VHDL實現(xiàn)方法。表3 CMD命令字2.1 接口控制模塊 接口控制模塊主要實現(xiàn)的功能包括：將CMD2:0翻譯成接口指令和對刷新計數(shù)器的控制，如圖2所示。首先通過狀態(tài)機來完成對CMD2:0的翻譯，在VHDL程序中聲明一個用戶自定義類型states，

9、根據(jù)CMD2:0輸入來決定狀態(tài)的轉移，完成對CMD2:0的解碼，如下所示：type states is(nop,reada,writea,refresh,precharge,load_mode);signal state : states ;case cmd is when "011" => state<=refresh; when "111" => state<=nop; SDRAM需要周期性刷新操作以保持數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)手冊中通常會給出在一定的時間T內，SDRAM至少刷新X次，如果用戶使用頻率為Fr MHz的時鐘，則刷新周期Tf可以

10、通過下面的公式計算出：Tf（T*Fr） / X。例如，本例中數(shù)據(jù)手冊要求64ms內至少刷新4096次，系統(tǒng)時鐘周期為100MHz，則刷新周期為(64ms*100MHz)/ 4096，得出結果等于1562.5，所以至多1562個時鐘周期的時間就必須對SDRAM刷新一次。刷新控制在程序中通過一個計數(shù)器來完成，當?shù)竭_規(guī)定的計數(shù)周期，就向SDRAM發(fā)出REF_REQ刷新請求，直到SDRAM完成刷新操作，發(fā)出REF_ACK刷新應答信號，計數(shù)器才重新賦值開始下一次的計數(shù)。圖2 接口控制模塊2.2 命令生成模塊圖3是命令生成模塊，主要實現(xiàn)了對輸入的指令請求進行仲裁判斷，并將仲裁后要執(zhí)行的指令解碼成SDRAM

11、需要的RAS、CAS等信號，從而實現(xiàn)對SDRAM的控制。圖3 命令生成模塊之所以需要仲裁機制，是因為在指令執(zhí)行之前可能會發(fā)生以下情況：其它指令和刷新請求同時到來；刷新請求到來時，其它指令正在執(zhí)行。仲裁機制實現(xiàn)方法如下：（1） SDRAM在每一刻只有一個指令在執(zhí)行；（2） 先到的指令先執(zhí)行，即：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；（3） 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可控制SDRAM的信號，同時還要用三個移位寄存器對命令執(zhí)行的延遲時間進行控制。第一個為指令延時寄存器，用

12、來保證SDRAM有充足時間完成最終指令。例如，如果命令的執(zhí)行需要8各時鐘周期的時間，則指令延時寄存器com_delay的初值設為“11111111”，同時聲明一個內部信號com_done，作為指令執(zhí)行完成的標志的。在指令執(zhí)行期間，每一個時鐘上升沿到來時，移位寄存器向右移位一次，com_delay0的移入com_done，同時“0” 移入最高位com_delay7。當com_done為“0”時，就說明指令的延遲時間已到，即通過com_done的值，就可以判斷當前指令是否執(zhí)行完成。要注意的是：移位寄存器的位數(shù)和初值，應該根據(jù)SDRAM的數(shù)據(jù)手冊中命令完成需要的時間和系統(tǒng)的時鐘周期來確定。下面得例程

13、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

14、 1); command_delay(7)<='0' end if;當輸入的指令為writea和reada指令，將引發(fā)一系列指令的執(zhí)行，和其它指令相比需要附加時間。所以，聲明第二個移位寄存器rw_shift，來計算這兩個指令的附加時間，其工作原理和第一個移位寄存器是一樣的。最后一個移位寄存器oe_shift用來為數(shù)據(jù)通道生成oe，即數(shù)據(jù)輸入、輸出使能信號。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。并且oe有效的起始時間對讀操作和寫操作時不同的：讀操作時，oe有效的起始時間取決于CAS延時時間，而對于寫操作時則在寫指令開始時oe就是有效的。 23 數(shù)據(jù)路徑模

15、塊 數(shù)據(jù)路徑模塊主要是在writea和reada命令期間處理數(shù)據(jù)的路徑操作。模塊的結構圖如圖4所示。DQ是雙向數(shù)據(jù)線，用來傳輸從SDRAM讀出數(shù)據(jù)和向SDRAM寫入的數(shù)據(jù)。無論是數(shù)據(jù)在讀出還是寫入時，都是在oe有效，即oe為高電平時才能進行傳輸。DM是由主機輸出的數(shù)據(jù)掩碼，通過DQM輸出到SDRAM的LDQM和UDQM管腳，進而控制SDRAM I/O緩沖的低字節(jié)和高字節(jié)。 圖4 數(shù)據(jù)路徑模塊 3 總結本文結合SDRAM控制指令的特點，詳細的介紹了一種基于FPGA的通用SDRAM控制器的設計方案。本文所介紹的指令狀態(tài)的轉移、仲裁機制的實現(xiàn)和移位寄存器控制指令延遲時間的方法，提供了一種SDRAM控

16、制器的設計思想，由于SDRAM的控制機制比較復雜，具有多種突發(fā)讀寫的工作模式，我們可以根據(jù)實際應用中的需求情況來編寫程序，實現(xiàn)最基本的讀寫和刷新操作，不必要顧全到每一種情況。SDRAM作為高速數(shù)據(jù)緩存，在基于現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的控制下，將在高速、高密度、高端的數(shù)字電路領域中得到更加廣泛的應用。參考文獻1王誠,吳華,范麗珍,等. Altera FPGA/CPLD設計(基礎篇). 人民郵電出版社,2005,7.2田豐,鄧建國,李巍,賈治華. SDRAM的設計與VHDL實現(xiàn). 電子技術應用,2003,(31)2:74-77.3劉云清,佟首峰,姜會林. 利用FPGA實現(xiàn)SDRAM控制器的設計. 長春理工大學學報.2005,28(4):47-50.4宋一鳴,謝煜,李春茂. 基于FPGA的SDRAM控制器設計. 電子工程師, 2003,29(9):10