基于VHDL的SDRAM接口設(shè)計(jì) - 全文

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　　RAM通常用于數(shù)據(jù)和程序的緩存,隨著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，RAM獲得了飛速的發(fā)展，從RAM、DRAM(Dynamic RAM，即動(dòng)態(tài)RAM)發(fā)展到SDRAM(Synchronous Dynamic RAM，即同步動(dòng)態(tài)RAM)，RAM的容量越來越大、速度越來越高，可以說存儲(chǔ)器的容量和速度已經(jīng)成為半導(dǎo)體工業(yè)水平的標(biāo)志。

　　1 任務(wù)背景

　　SDRAM具有大容量和高速的優(yōu)點(diǎn)，目前其存取速度可以達(dá)到100～133MHz，單片容量可以達(dá)到64Mbit或更高，因此在需要高速、大容量存儲(chǔ)器的系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，如應(yīng)用在目前的計(jì)算機(jī)內(nèi)存中。但是SDRAM的控制比較復(fù)雜，其接口不能直接與目前廣泛應(yīng)用的普通微處理器如MCS-51系列、Motorola 68000系列連接，這樣就限制了SDRAM在微處理器系統(tǒng)中的應(yīng)用。

　　我們的任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)通用微處理器，它要具有語音、數(shù)據(jù)、圖像等多種處理功能，并具有RS232、USB等多種接口，另外由于多個(gè)通道的數(shù)據(jù)都需要進(jìn)行緩存和處理，因此高速大容量的緩存是此系統(tǒng)必須的，所以選用了SDRAM作為緩存器件。來自多個(gè)輸入通道的數(shù)據(jù)在采集后需要暫時(shí)存儲(chǔ)在SDRAM中，處理后的數(shù)據(jù)也需要存儲(chǔ)在SDRAM中，再輸出到輸出通道中。在SDRAM與多個(gè)輸入輸出通道之間，采用多個(gè)雙口RAM作為接口器件。輸入通道采集的數(shù)據(jù)首先存儲(chǔ)在雙口RAM中，采集滿后，通過若干條指令將RAM中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到SDRAM中的一定位置中，將SDRAM中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到RAM中也只需要若干條指令來完成。這樣通過幾條指令來設(shè)置RAM起始地址、SDRAM起始地址、傳送數(shù)據(jù)長度、傳送數(shù)據(jù)方向之后，SDRAM與RAM之間數(shù)據(jù)傳送就完全可以通過硬件實(shí)現(xiàn)，不必占用微處理器的指令時(shí)間。

　　2 SDRAM簡介

　　SDRAM具有多種工作模式，內(nèi)部操作是一個(gè)非常復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)。SDRAM的管腳分為以下幾類：

　　(1)控制信號(hào)：包括片選、時(shí)鐘、時(shí)鐘有效、行/列地址選擇、讀寫選擇、數(shù)據(jù)有效;

　　(2)地址：時(shí)分復(fù)用管腳，根據(jù)行/列地址選擇管腳控制輸入地址為行地址或列地址;

　　(3)數(shù)據(jù)：雙向管腳，受數(shù)據(jù)有效控制;根據(jù)控制信號(hào)和地址輸入，SDRAM包括多種輸入命令：① 模式寄存器設(shè)置命令;② 激活命令;③ 預(yù)充命令;④寫命令;⑤ 讀命令;⑥自動(dòng)刷新命令;⑦ 自我刷新命令;⑧突發(fā)停止命令;⑨ 空操作命令。

　　根據(jù)輸入命令，SDRAM狀態(tài)在內(nèi)部狀態(tài)間轉(zhuǎn)移。內(nèi)部狀態(tài)包括：①模式寄存器設(shè)置狀態(tài);②激活狀態(tài);③預(yù)充狀態(tài);④寫狀態(tài);⑤讀狀態(tài);⑥自動(dòng)刷新狀態(tài);⑦自我刷新狀態(tài);⑧節(jié)電狀態(tài)。

　　3 SDRAM接口狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用固定型號(hào)SDRAM，我們對(duì)SDRAM的操作進(jìn)行了以下簡化：

　　(1)存取模式，只采用突發(fā)讀寫數(shù)據(jù)模式，固定突發(fā)數(shù)據(jù)長度為2;

　　(2)DRAM讀命令輸入到數(shù)據(jù)輸出延時(shí)時(shí)鐘周期為2;

　　(3)不采用自動(dòng)刷新模式;

　　(4)DRAM的初始化、節(jié)電模式由微處理器控制;

　　(5)DRAM為16位數(shù)據(jù)總線，RAM為32位數(shù)據(jù)總線，SDRAM進(jìn)行一次突發(fā)操作，RAM進(jìn)行一次讀寫操作，以實(shí)現(xiàn)速度匹配;

　　(6)DRAM和RAM讀寫地址采用遞增模式，連續(xù)變化。

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　　簡化的SDRAM接口狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖1所示。其中，初始化、自我刷新、電源關(guān)斷、讀操作、寫操作、預(yù)充等狀態(tài)又分別各由一組子狀態(tài)組成。

　　為充分利用SDRAM的高速存取特性，讀、寫時(shí)序必須仔細(xì)設(shè)計(jì)，應(yīng)基本可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行一次數(shù)據(jù)存取。

　　3.1 SDRAM讀操作時(shí)序設(shè)計(jì)

　　當(dāng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移方向?yàn)閺腟DRAM到雙口RAM時(shí)，如果SDRAM讀操作行地址未發(fā)生變化，可以滿足每時(shí)鐘周期輸出一次數(shù)據(jù)的高速操作。但是當(dāng)SDRAM行地址發(fā)生變化時(shí)，必須返回預(yù)充狀態(tài)，由于從SDRAM的讀命令輸入到SDRAM數(shù)據(jù)輸出之間有2個(gè)時(shí)鐘周期的延時(shí)，所以判斷下一讀操作的行地址是否發(fā)生變化必須提前兩個(gè)周期判斷。讀操作部分的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖2所示。

　　3.2 SDRAM寫操作時(shí)序設(shè)計(jì)

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　　當(dāng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移方向?yàn)閺碾p口RAM到SDRAM時(shí)，如果SDRAM寫操作行地址未發(fā)生變化，可以滿足每時(shí)鐘周期寫入一次數(shù)據(jù)的高速操作。但是當(dāng)SDRAM行地址發(fā)生變化時(shí)，必須返回預(yù)充狀態(tài)，由于從SDRAM的寫命令輸入到SDRAM數(shù)據(jù)輸入之間沒有延時(shí)，所以判斷下一寫操作的行地址是否發(fā)生變化無需提前判斷，因此寫操作狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖比讀操作部分簡單。寫操作部分的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示。

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　　在所設(shè)計(jì)的讀、寫操作時(shí)序中，SDRAM地址、數(shù)據(jù)、控制信號(hào)和RAM部分的地址、數(shù)據(jù)、讀寫控制信號(hào)均由有限狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生，因此在狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程中還必須仔細(xì)考慮RAM部分輸出控制信號(hào)的時(shí)序關(guān)系。

　　4 VHDL實(shí)現(xiàn)

　　硬件描述語言VHDL(Very=High Speed IC Hardware Description Language)是一種應(yīng)用于電路設(shè)計(jì)的高層次描述語言，具有行為級(jí)、寄存器傳輸級(jí)和門級(jí)等多層次描述，并且具有簡單、易讀、易修改和與工藝無關(guān)等優(yōu)點(diǎn)。目前VHDL語言已經(jīng)得到多種EDA工具的支持，綜合工具得到迅速發(fā)展，VHDL語言的行為級(jí)綜合也已經(jīng)得到支持和實(shí)現(xiàn)，因此利用VHDL語言進(jìn)行電路設(shè)計(jì)可以節(jié)約開發(fā)成本，縮短周期。在VHDL語言輸入中也有多種形式，例如可以支持直接由狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖生成VHDL語言。因此在設(shè)計(jì)SDRAM狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖后，可以直接產(chǎn)生VHDL程序，在功能仿真正確后，可以進(jìn)行綜合、FPGA布局布線和后仿真。

　　以上介紹了一種應(yīng)用于通用微處理器系統(tǒng)中的SDRAM與雙口RAM之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移接口控制電路，由VHDL語言設(shè)計(jì)，用Xilinx公司4000系列FPGA實(shí)現(xiàn)，目前該電路硬件實(shí)現(xiàn)和微處理器系統(tǒng)已經(jīng)通過驗(yàn)證，證明可將SDRAM作為高速、大容量存儲(chǔ)器應(yīng)用在簡單電子系統(tǒng)中。