多路讀寫SDRAM接口設(shè)計(jì)

存儲器是容量數(shù)據(jù)處理電路的重要組成部分。隨著數(shù)據(jù)處理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，對于存儲器的容量和性能提出了越來越高的要求。同步動態(tài)隨機(jī)存儲器SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)因其容量大、讀寫速度快、支持突發(fā)式讀寫及相對低廉的價格而得到了廣泛的應(yīng)用。SDRAM的控制比較復(fù)雜，其接口電路設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。

　　本文首先介紹SDRAM的主要控制信號和基本命令;然后介紹接口電路對SDRAM的主要操作路徑及操作過程，應(yīng)用于解復(fù)用的SDRAM接口電路的設(shè)計(jì)方法;最后給出了實(shí)現(xiàn)結(jié)果。

　　1 SDRAM的主要控制信號和基本命令

　　SDRAM的主要控制信號為：

　　·CS：片選使能信號，低電平有效;

　　·RAS：行地址選通信號，低電平有效;

　　·CAS：列地址選通信號，低電平有效;

　　·WE：寫使能信號，低電平有效。

　　SDRAM的基本命令及主要控制信號見表1。

　　表1 SDRAM基本操作及控制信號

命??? 令??? 名??? 稱 CS RAS CAS WE
命令禁止（NOP:Command inhibit） H X X X
空操作（NOP：No operation） L H H H
激活操作（ACT：Select bank and active row） L L H H
讀操作（READ：Select bank and column,and start READ burst） L H L H
寫操作（WRITE：Select bank and column,and start WRITE burst） L H L L
突發(fā)操作停止（BTR：Burst terminate） L H H L
預(yù)充電（PRE：Deactive row in bank or banks） L L H L
自動刷新或自我刷新（REF：Auto refresh or self refresh） L L L H
配置模式寄存器（LMR：Load mode register） L L L L

　　所有的操作控制信號、輸入輸出數(shù)據(jù)都與外部時鐘同步。

　2 接口電路對SDRAM的主要操作路徑及操作過程

　　一個完備的SDRAM接口很復(fù)雜。由于本文的SDRAM接口應(yīng)用于解復(fù)用，處理的事件相對來說比較簡單，因而可以簡化設(shè)計(jì)而不影響性能。接口電路SDRAM的主要操作可以分為：初始化操作、讀操作、寫操作、自動刷新操作。

　　(1)初始化操作

　　SDRAM上電一段時間后，經(jīng)過初始化操作才可以進(jìn)入正常工作過程。初始化主要完成預(yù)充電、自動刷新模式寄存器的配置。操作過程如圖1所示。

　　(2)讀寫操作

　　讀寫操作主要完成與SDRAM的數(shù)據(jù)交換。讀操作過程如圖2所示，寫操作過程如圖3所示。

　　(3)刷新操作

　　動態(tài)存儲器(Dynamic RAM)都存在刷新問題。這里主要采用自動刷新方式，每隔一段時間向SDRAM發(fā)一條刷新命令。刷新過程如圖4所示。

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?　　3 接口電路的設(shè)計(jì)

　　(1)解復(fù)用電路

　　本解復(fù)用電路主要完成將1路高速數(shù)據(jù)流解復(fù)用為4路數(shù)據(jù)流，其結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。1路數(shù)據(jù)流進(jìn)入解復(fù)用器后，經(jīng)過SDRAM緩沖，解復(fù)用為4路數(shù)據(jù)流。

　　由于要解復(fù)用為4路數(shù)據(jù)流，為了充分利用時隙，滿足高速的要求，采用4個bank的SDRAM，各路數(shù)據(jù)緩沖對應(yīng)不同的bank。為簡化設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)流1的緩沖區(qū)定為bank0，數(shù)據(jù)流2的緩沖區(qū)定為bank1，數(shù)據(jù)流3的緩沖區(qū)定為bank2數(shù)據(jù)流4的緩沖區(qū)定為bank3。對于每路數(shù)據(jù)實(shí)際上是以高速率集中寫入，然后以低速率均勻讀出。

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　　由于進(jìn)行的是解復(fù)用，因此寫入的數(shù)據(jù)只有1路，但是有可能4路數(shù)據(jù)同時都要讀出。所以對于4路數(shù)據(jù)流，其讀寫地址和讀寫使能信號是分開的。

　(2)SDRAM接口電路的時序控制

　　高速數(shù)據(jù)流的速率為3M字節(jié)/秒，采用的系統(tǒng)時鐘為20倍的字節(jié)時鐘。送入SDRAM的時鐘為60MHz系統(tǒng)時鐘。在一個字節(jié)時鐘內(nèi)對SDRAM的操作最多有5次(1次讀，4次寫)，而且為了滿足刷新的要求，每個字節(jié)時鐘進(jìn)行一次刷新操作。根據(jù)SDRAM的時序要求，這樣的操作是難以實(shí)現(xiàn)的。因而要通過多bank操作，盡量做到時分復(fù)用來實(shí)現(xiàn)。圖6給出了在一個字節(jié)時鐘周期的內(nèi)數(shù)據(jù)流1進(jìn)行讀寫操作，其它3路數(shù)據(jù)進(jìn)行讀操作的命令排序時序圖?？梢钥闯鐾ㄟ^多bank操作，時分復(fù)用，在20個系統(tǒng)時鐘節(jié)拍內(nèi)所需的讀寫操作命令剛好很緊湊地排開。

?　　一個字節(jié)時鐘內(nèi)對SDRAM讀寫操作是隨機(jī)的，這與數(shù)據(jù)流的復(fù)用比例有在。為了滿足時序，根據(jù)上面的說明，需要把一個字節(jié)時鐘周期內(nèi)對SDRAM的命令合理排序，然后按照排好的順序執(zhí)行命令。這樣就需要把一個字節(jié)時鐘周期內(nèi)對SDRAM的操作進(jìn)行緩存，然后在下一個字節(jié)時鐘周期內(nèi)進(jìn)行排序、與SDRAM命令相對應(yīng)、將命令譯碼產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號線，完成操作。緩存排序過程如圖7所示。

　　(3)SDRAM接口電路

　　SDRAM接口電路中需要專門操作緩沖區(qū)存儲一個字節(jié)時鐘周期內(nèi)的操作，以備下一字節(jié)時鐘的排序。為了方便處理，對每路數(shù)據(jù)的緩沖操作內(nèi)容(或讀或?qū)?放在一個緩沖區(qū)。由于數(shù)據(jù)流的連續(xù)性，排序的同時仍然會有操作要求，因此每路的操作內(nèi)容緩沖區(qū)分為兩塊。對一塊緩沖區(qū)寫入時，讀出另一塊緩沖區(qū)中的操作內(nèi)容，進(jìn)行排序、譯碼、執(zhí)行。根據(jù)字節(jié)時鐘切換對緩沖區(qū)的讀寫，從而避免沖突。對于從SDRAM讀出的數(shù)據(jù)，每路數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的讀出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。同樣每路的讀出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)也分為兩塊，根據(jù)字節(jié)時鐘切換讀寫。

　　由于一個字節(jié)時鐘周期內(nèi)，每路所需的操作最多有2次，每路的操作內(nèi)容緩沖區(qū)只需兩個單元(每個單元存儲了此次的讀寫使能信號、寫入數(shù)據(jù)、地址)即可。對于讀出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，由于一個字節(jié)時鐘每路數(shù)據(jù)最多執(zhí)行一次讀操作，所以讀出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)只需要一個字節(jié)。這兩類緩沖區(qū)容量都小，因此人部用寄存器來實(shí)現(xiàn)，控制簡單。

　　整個接口電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示。

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　　4 SDRAM接口的實(shí)現(xiàn)結(jié)果

　　針對MT48LC8M8A2的SDRAM，采用同步設(shè)計(jì)方法，用Verilog HDL硬件描述語言建立模型，接口電路已經(jīng)調(diào)試通過，規(guī)模為2100門(NAND)。整個解復(fù)用電路也已經(jīng)調(diào)試通過。