基于TMS320C6201的數(shù)字信號處理系統(tǒng)的設計方法

在數(shù)字圖像處理、航空航天等高速信號處理應用場合，需要有高速大容量存儲空間的強力支持，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，詳細論述在基于TMS320C6201（簡稱C6201）的數(shù)字信號處理系統(tǒng)中此設計方法的具體實現(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64 Mb（即8 MB）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行讀寫訪問尋址。在進行讀操作之前，必須預先激活SDRAM內(nèi)對應的存儲體，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EMlF（External Memory Interface）。C6000系列DSPs的EMIF具有很強的接口能力，不僅具有很高的數(shù)據(jù)吞吐率（最高達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。
　　
　　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的應用變得略顯復雜，帶來了一定的應用難度。
　　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），用來進行SDRAM的各種時序控制，大大減輕了設計人員的開發(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字段設置的值進行定時刷新。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。復位時，計數(shù)器自動置為11b，以保證在存取訪問之前先進行若干次刷新。計數(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
　　當某個CE空間配置為SDRAM空間后，必須首先進行初始化。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行SDRAM存取過程中進行。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，EMIF在內(nèi)部有四個頁面寄存器，自動保存當前打開的行地址，然后與后續(xù)存取訪問的地址進行比較。需要說明的是，當前存取操作結(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用相同的EMIF 引腳，所以EMIF接口需要對行地址與列地址進行相應的移位處理。地址的移位處理由SDCRL寄存器中的SDWlD位控制。
　　另外，對于SDRAM，因為輸入地址也是控制信號，因此需要說明以下幾點：
　?、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；
　　②READ／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。