DSP片外高速海置SDRAM存儲系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　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(jì)方法的具體實(shí)現(xiàn)。

　　1 IS42S16400芯片簡介

　　IS42S16400是ISSl公司推出的一種單片存儲容量高達(dá)64 Mb(即8 MB)的16位字寬高速SDRAM芯片。SDRAM的主要特點(diǎn)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)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(jìn)行讀寫訪問尋址。在進(jìn)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(yùn)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(qiáng)的接口能力，不僅具有很高的數(shù)據(jù)吞吐率(最高達(dá)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(dú)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。

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　　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(jìn)行SDRAM的各種時序控制，大大減輕了設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)數(shù)器加1;每次刷新周期之后，計(jì)數(shù)器減1。復(fù)位時，計(jì)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(jì)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(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(jì)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;

　?、趫?zhí)行3個REFR命令;

　?、蹖λ械腟DRAM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=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(jìn)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?yàn)檩斎氲刂芬彩强刂菩盘?，因此需要說明以下幾點(diǎn)：

　?、賀AS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;

　?、赗EAD/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(jì)

　　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(jì)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(jì)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(shí)際布線情況以及負(fù)載的情況密切相關(guān)。

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