[導讀]本文介紹了SDRAM 控制器IP 核的設計、電路的功能仿真、綜合以及驗證等過程,其中重點討論了該控制器的接口設計以實現(xiàn)SoC的集成。
摘要:本文介紹了SDRAM 控制器IP 核的設計、電路的功能仿真、綜合以及驗證等過程,其中重點討論了該控制器的接口設計以實現(xiàn)SoC的集成。性能分析表明該控制器設計合理、性能優(yōu)異。結(jié)果證明了該IP 在功能和時序上符合SDRAM控制器技術規(guī)范,達到了預定目標。
關鍵詞:龍芯,同步動態(tài)存儲器,片上系統(tǒng),總線接口
隨著設計與制造技術的發(fā)展,集成電路設計從晶體管的集成發(fā)展到邏輯門的集成, 現(xiàn)在又發(fā)展到IP的集成,即SoC設計技術。SoC可以有效地降低電子信息系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)成本,縮短開發(fā)周期,提高產(chǎn)品的競爭力,是工業(yè)界將采用的最主要的產(chǎn)品開發(fā)方式。目前國內(nèi)也加大了在SoC 設計以及IP 集成領域的研究。本文介紹的便是國家基金項目支持的龍芯SoC—ICT- E32 設計所集成的片上SDRAM 控制器模塊設計與實現(xiàn)。
1 ICT-E32 體系結(jié)構(gòu)
ICT-E32 是一款32位高性能SoC ,它集成龍芯1號CPU和自行開發(fā)的片上總線架構(gòu),旨在推進龍芯的產(chǎn)業(yè)化,探索SoC 設計方法。它可用于PDA、智能家電和消費類電子產(chǎn)品等方面,其集成平臺也可用于后續(xù)芯片開發(fā),開發(fā)衍生產(chǎn)品。ICT-E32 采用的龍芯1 號CPU 核是一款32 位的MIPSCPU 。片上總線按照掛載IP 的帶寬分成兩級,分別是高速總線和低速總線。高速總線采用地址流水和讀/ 寫并發(fā)技術,數(shù)據(jù)線寬度為64bit , 最高頻率133MHz , 掛有CPU 核、SDRAM Cont roller 和PCI Controller 等模塊;低速總線采用Wishbone體系結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)線寬度32bit ,最高頻率66MHz ,掛有UART、USB Host 和LIO接口等模塊。
兩級總線通過橋接器連接。還有一條穿過片上所有IP 模塊的總線—DCR(Device Cont rol Register Bus) 總線。這是一個環(huán)形的總線,CPU是DCR總線上惟一的主設備,負責對總線上其他的設備進行讀寫操作。DCR總線用于對各個IP 模塊的寄存器堆(Register bank) 進行讀寫。其大致結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 ICT-E32 結(jié)構(gòu)圖
2 SDRAM控制器設計與實現(xiàn)
SDRAM 控制器掛載在IC -E32 的內(nèi)部高速總線上,是總線上的Slave設備。它支持的SDRAM 大小范圍為64M～1G。通過I2C 串行總線協(xié)議訪問DIMM 條的SPD (SerialPresence Detect) ,來配置SDRAM 控制器的模式寄存器。它的工作頻率與高速總線同步,兼容PC100/133 。數(shù)據(jù)線寬度為64 位,支持burst 操作(1 ,2 ,4 ,8 與整頁) ,支持順序與交替訪問。SDRAM 控制器主要由三大模塊組成,包括高速總線接口、DCR總線接口以及SDRAM控制模塊。
2. 1 高速總線接口
ICT-E32 的內(nèi)部高速總線類似于IBM 的PLB總線協(xié)議,它的地址線為32位和數(shù)據(jù)線為64位。這是一款高性能的片上同步總線,總線上的設備使用同一個時鐘源提供的時鐘。采用二級地址流水和讀寫并發(fā)技術。由總線仲裁器控制總線上Master設備和Slave設備之間的讀/ 寫操作?？偩€上的Master設備使用獨占的地址線、讀數(shù)據(jù)線、寫數(shù)據(jù)線以及傳輸控制信號,而Slave設備則共享分隔的地址和讀/ 寫數(shù)據(jù)線,其中讀/ 寫數(shù)據(jù)線配有各自的傳輸控制信號。它支持SDRAM仲裁,仲裁的原則是采用帶搶占的剝奪方式,CPU訪問的優(yōu)先級最高。
內(nèi)部高速總線仲裁使用靜態(tài)優(yōu)先級,當Master設備對某一Slave設備發(fā)出請求時,由總線仲裁器作出仲裁,如果該Master設備的優(yōu)先級最高,則向該Master設備作出應答,同時向Slave設備發(fā)出命令,使其獨占Slave總線。
SDRAM控制器作為內(nèi)部高速總線上的Slave設備,只對總線發(fā)出的命令做出響應。高速總線接口負責將總線給出的命令轉(zhuǎn)換為對SDRAM控制器的操作。當總線發(fā)出命令時,高速總線接口首先判斷SDRAM 的狀態(tài),如果內(nèi)存處于空閑狀態(tài)則給SDRAM 控制器發(fā)出讀/ 寫指令,在SDRAM 控制器完成對內(nèi)存操作后,給總線返回應答信號及讀數(shù)據(jù),其中讀/寫數(shù)據(jù)分別經(jīng)過同步FIFO 與總線連接。圖2 (a) 給出了高速總線接口具體的操作流程圖。
2. 2 DCR總線接口
ICT-E32 的DCR 總線參考的是IBM 的DCR總線。這是一款32位的同步總線,用來在Master設備CPU 的通用寄存器與Slave設備的模式寄存器之間傳輸數(shù)據(jù),是一條貫穿片上所有IP模塊的環(huán)形總線。
當CPU 配置某一Slave設備的模式寄存器時,通過DCR總線給出配置數(shù)據(jù),同時給出該設備的地址。Slave設備在接受到DCR 總線上的數(shù)據(jù)時,首先判斷地址是否對應,如果給出的地址為自己的地址則接受數(shù)據(jù);如果不是,則將數(shù)據(jù)旁路(bypass) 給下一個設備。
DCR 接口的功能是接收CPU寫入的各寄存器的值,及向CPU 提供狀態(tài)寄存器及其他寄存器的內(nèi)容。通過地址比較邏輯來判斷地址是否命中,如果地址命中則接受數(shù)據(jù),同時給出應答信號;反之,則將數(shù)據(jù)旁路給DCR 總線上的下一個設備。圖2(b) 給出了DCR 總線接口操作流程圖。
圖2 總線接口操作流程圖
2. 3 SDRAM控制模塊
SDRAM 控制模塊在接受到系統(tǒng)命令后, 負責對SDRAM 內(nèi)存條發(fā)出讀/ 寫操作控制信號。它內(nèi)部主要包含一個控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換的Mealy 狀態(tài)機,如圖3 所示。包括空閑( Idle) 、刷新(Ref resh) 、模式寄存器配置(Mode Register Set) 、有效(Active) 、預充( Precharge) 、讀和寫七個狀態(tài)。每個狀態(tài)對SDRAM 內(nèi)存發(fā)出不同的操作指令。
SDRAM 內(nèi)存的操作主要通過以下控制信號給出,RAS# 行地址選擇、CAS # 列地址選擇、WE # 寫使能信號、CS #片選信號以及CKE 時鐘使能信號。表1 給出了各種指令的組合方式。
圖3 SDRAM 控制器狀態(tài)機
2. 4 性能分析
該SDRAM控制器模塊使用Micron公司提供的MT48LC2M32B2仿真模塊進行功能仿真,仿真結(jié)果顯示設計符合規(guī)范。SDRAM 控制器是內(nèi)部高速總線上各Master設備訪問率較高的Slave 設備,它的性能好壞直接影響整個SoC 的運作。該控制器的讀/ 寫操作周期數(shù)Lrw為8 ,由此可以得到該控制器的讀寫周期為公式(1) ,其中fclk為主頻時鐘:
SDRAM 控制器中刷新周期數(shù)Lref 為4 ,刷新間隔計數(shù)tREF 可通過模式寄存器配置,表2 給出了tREF可設的4種值,及主頻時鐘為100MHz的情況下的間隔周期。這樣便可以得出控制器的刷新周期為 :
當tREF 取最大值時,可以得到每秒鐘最大的用戶可用時間為
當SDRAM 控制器進行4 字讀寫操作時,由于該控制器數(shù)據(jù)線為64bit ,所以可得該控制器的最大數(shù)據(jù)傳輸率DTR(data transfer rate) 為式(4) :
其中,當主頻時鐘f clk足夠大時,式(4) 便可約減為式(5) :
因此可以得到,當主頻時鐘為100MHz 時,SDRAM 控制器的數(shù)據(jù)傳輸率約為400MB/s ; 而當主頻時鐘取133MHz時,數(shù)據(jù)傳輸率可達到522MB/s。
2. 5 設計比較
參考文獻[1 ]中,提供了一個基于FPGA芯片實現(xiàn)試驗性質(zhì)的SDRAM控制器。與該控制器相比,本文的設計不僅在性能上有較大改進,而且由于本文的設計是面向應用的,已構(gòu)成獨立的IP 核,而該設計是試驗型的,不能直接應用于產(chǎn)品,沒有構(gòu)成IP 核的要求。表3 給出了兩個設計的性能比較。
2. 6 FPGA驗證與ASIC實現(xiàn)
本設計使用龍芯SoC 的FPGA 驗證平臺進行硬件仿真,硬件仿真平臺使用的FPGA芯片是Xilinx 公司的XC2V6000 ,硬件仿真平臺實際使用的是128MB PC100現(xiàn)代內(nèi)存條。SDRAM控制器在FPGA 實現(xiàn)后接近5萬的邏輯門。整個SoC 設計FPGA實現(xiàn)的工作主頻為24MHz ,FPGA驗證平臺上SDRAM的時鐘也為24MHz。
驗證表明:SDRAM 控制器在系統(tǒng)中工作正常。由于HDL 代碼采用參數(shù)化的設計,ASIC實現(xiàn)的版本只要做很少的修改。與FPGA不同的是,ASIC版本實現(xiàn)了門控時鐘和功耗管理,設計中的同步FIFO采用Artisan的雙端口RAM 庫生成。DC綜合采用的是SMIC的0.18μm工藝庫,延遲反標(back annotation) 的門級仿真的結(jié)果表明設計符合預期要求。
3 結(jié)束語
本設計掛載在內(nèi)部高速總線上,在具體的結(jié)構(gòu)設計方面,將系統(tǒng)的性能分析和軟硬件協(xié)同仿真相結(jié)合,優(yōu)化各模塊的設計。并且實現(xiàn)了IP的可重用設計,即不需要對結(jié)構(gòu)做大的改動,就可以重構(gòu)一個適合不同需求的片上SDRAM 控制器,只需要通過替換接口模塊掛接在其他類型的片上總線。同時,參數(shù)化的設計可以方便的選擇實現(xiàn)工藝。設計驗證中IP 的功能達到預期的要求。
關鍵詞:龍芯,同步動態(tài)存儲器,片上系統(tǒng),總線接口
隨著設計與制造技術的發(fā)展,集成電路設計從晶體管的集成發(fā)展到邏輯門的集成, 現(xiàn)在又發(fā)展到IP的集成,即SoC設計技術。SoC可以有效地降低電子信息系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)成本,縮短開發(fā)周期,提高產(chǎn)品的競爭力,是工業(yè)界將采用的最主要的產(chǎn)品開發(fā)方式。目前國內(nèi)也加大了在SoC 設計以及IP 集成領域的研究。本文介紹的便是國家基金項目支持的龍芯SoC—ICT- E32 設計所集成的片上SDRAM 控制器模塊設計與實現(xiàn)。
1 ICT-E32 體系結(jié)構(gòu)
ICT-E32 是一款32位高性能SoC ,它集成龍芯1號CPU和自行開發(fā)的片上總線架構(gòu),旨在推進龍芯的產(chǎn)業(yè)化,探索SoC 設計方法。它可用于PDA、智能家電和消費類電子產(chǎn)品等方面,其集成平臺也可用于后續(xù)芯片開發(fā),開發(fā)衍生產(chǎn)品。ICT-E32 采用的龍芯1 號CPU 核是一款32 位的MIPSCPU 。片上總線按照掛載IP 的帶寬分成兩級,分別是高速總線和低速總線。高速總線采用地址流水和讀/ 寫并發(fā)技術,數(shù)據(jù)線寬度為64bit , 最高頻率133MHz , 掛有CPU 核、SDRAM Cont roller 和PCI Controller 等模塊;低速總線采用Wishbone體系結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)線寬度32bit ,最高頻率66MHz ,掛有UART、USB Host 和LIO接口等模塊。
兩級總線通過橋接器連接。還有一條穿過片上所有IP 模塊的總線—DCR(Device Cont rol Register Bus) 總線。這是一個環(huán)形的總線,CPU是DCR總線上惟一的主設備,負責對總線上其他的設備進行讀寫操作。DCR總線用于對各個IP 模塊的寄存器堆(Register bank) 進行讀寫。其大致結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 ICT-E32 結(jié)構(gòu)圖
2 SDRAM控制器設計與實現(xiàn)
SDRAM 控制器掛載在IC -E32 的內(nèi)部高速總線上,是總線上的Slave設備。它支持的SDRAM 大小范圍為64M～1G。通過I2C 串行總線協(xié)議訪問DIMM 條的SPD (SerialPresence Detect) ,來配置SDRAM 控制器的模式寄存器。它的工作頻率與高速總線同步,兼容PC100/133 。數(shù)據(jù)線寬度為64 位,支持burst 操作(1 ,2 ,4 ,8 與整頁) ,支持順序與交替訪問。SDRAM 控制器主要由三大模塊組成,包括高速總線接口、DCR總線接口以及SDRAM控制模塊。
2. 1 高速總線接口
ICT-E32 的內(nèi)部高速總線類似于IBM 的PLB總線協(xié)議,它的地址線為32位和數(shù)據(jù)線為64位。這是一款高性能的片上同步總線,總線上的設備使用同一個時鐘源提供的時鐘。采用二級地址流水和讀寫并發(fā)技術。由總線仲裁器控制總線上Master設備和Slave設備之間的讀/ 寫操作?？偩€上的Master設備使用獨占的地址線、讀數(shù)據(jù)線、寫數(shù)據(jù)線以及傳輸控制信號,而Slave設備則共享分隔的地址和讀/ 寫數(shù)據(jù)線,其中讀/ 寫數(shù)據(jù)線配有各自的傳輸控制信號。它支持SDRAM仲裁,仲裁的原則是采用帶搶占的剝奪方式,CPU訪問的優(yōu)先級最高。
內(nèi)部高速總線仲裁使用靜態(tài)優(yōu)先級,當Master設備對某一Slave設備發(fā)出請求時,由總線仲裁器作出仲裁,如果該Master設備的優(yōu)先級最高,則向該Master設備作出應答,同時向Slave設備發(fā)出命令,使其獨占Slave總線。
SDRAM控制器作為內(nèi)部高速總線上的Slave設備,只對總線發(fā)出的命令做出響應。高速總線接口負責將總線給出的命令轉(zhuǎn)換為對SDRAM控制器的操作。當總線發(fā)出命令時,高速總線接口首先判斷SDRAM 的狀態(tài),如果內(nèi)存處于空閑狀態(tài)則給SDRAM 控制器發(fā)出讀/ 寫指令,在SDRAM 控制器完成對內(nèi)存操作后,給總線返回應答信號及讀數(shù)據(jù),其中讀/寫數(shù)據(jù)分別經(jīng)過同步FIFO 與總線連接。圖2 (a) 給出了高速總線接口具體的操作流程圖。
2. 2 DCR總線接口
ICT-E32 的DCR 總線參考的是IBM 的DCR總線。這是一款32位的同步總線,用來在Master設備CPU 的通用寄存器與Slave設備的模式寄存器之間傳輸數(shù)據(jù),是一條貫穿片上所有IP模塊的環(huán)形總線。
當CPU 配置某一Slave設備的模式寄存器時,通過DCR總線給出配置數(shù)據(jù),同時給出該設備的地址。Slave設備在接受到DCR 總線上的數(shù)據(jù)時,首先判斷地址是否對應,如果給出的地址為自己的地址則接受數(shù)據(jù);如果不是,則將數(shù)據(jù)旁路(bypass) 給下一個設備。
DCR 接口的功能是接收CPU寫入的各寄存器的值,及向CPU 提供狀態(tài)寄存器及其他寄存器的內(nèi)容。通過地址比較邏輯來判斷地址是否命中,如果地址命中則接受數(shù)據(jù),同時給出應答信號;反之,則將數(shù)據(jù)旁路給DCR 總線上的下一個設備。圖2(b) 給出了DCR 總線接口操作流程圖。
圖2 總線接口操作流程圖
2. 3 SDRAM控制模塊
SDRAM 控制模塊在接受到系統(tǒng)命令后, 負責對SDRAM 內(nèi)存條發(fā)出讀/ 寫操作控制信號。它內(nèi)部主要包含一個控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換的Mealy 狀態(tài)機,如圖3 所示。包括空閑( Idle) 、刷新(Ref resh) 、模式寄存器配置(Mode Register Set) 、有效(Active) 、預充( Precharge) 、讀和寫七個狀態(tài)。每個狀態(tài)對SDRAM 內(nèi)存發(fā)出不同的操作指令。
SDRAM 內(nèi)存的操作主要通過以下控制信號給出,RAS# 行地址選擇、CAS # 列地址選擇、WE # 寫使能信號、CS #片選信號以及CKE 時鐘使能信號。表1 給出了各種指令的組合方式。
圖3 SDRAM 控制器狀態(tài)機
2. 4 性能分析
該SDRAM控制器模塊使用Micron公司提供的MT48LC2M32B2仿真模塊進行功能仿真,仿真結(jié)果顯示設計符合規(guī)范。SDRAM 控制器是內(nèi)部高速總線上各Master設備訪問率較高的Slave 設備,它的性能好壞直接影響整個SoC 的運作。該控制器的讀/ 寫操作周期數(shù)Lrw為8 ,由此可以得到該控制器的讀寫周期為公式(1) ,其中fclk為主頻時鐘:
SDRAM 控制器中刷新周期數(shù)Lref 為4 ,刷新間隔計數(shù)tREF 可通過模式寄存器配置,表2 給出了tREF可設的4種值,及主頻時鐘為100MHz的情況下的間隔周期。這樣便可以得出控制器的刷新周期為 :
當tREF 取最大值時,可以得到每秒鐘最大的用戶可用時間為
當SDRAM 控制器進行4 字讀寫操作時,由于該控制器數(shù)據(jù)線為64bit ,所以可得該控制器的最大數(shù)據(jù)傳輸率DTR(data transfer rate) 為式(4) :
其中,當主頻時鐘f clk足夠大時,式(4) 便可約減為式(5) :
因此可以得到,當主頻時鐘為100MHz 時,SDRAM 控制器的數(shù)據(jù)傳輸率約為400MB/s ; 而當主頻時鐘取133MHz時,數(shù)據(jù)傳輸率可達到522MB/s。
2. 5 設計比較
參考文獻[1 ]中,提供了一個基于FPGA芯片實現(xiàn)試驗性質(zhì)的SDRAM控制器。與該控制器相比,本文的設計不僅在性能上有較大改進,而且由于本文的設計是面向應用的,已構(gòu)成獨立的IP 核,而該設計是試驗型的,不能直接應用于產(chǎn)品,沒有構(gòu)成IP 核的要求。表3 給出了兩個設計的性能比較。
2. 6 FPGA驗證與ASIC實現(xiàn)
本設計使用龍芯SoC 的FPGA 驗證平臺進行硬件仿真,硬件仿真平臺使用的FPGA芯片是Xilinx 公司的XC2V6000 ,硬件仿真平臺實際使用的是128MB PC100現(xiàn)代內(nèi)存條。SDRAM控制器在FPGA 實現(xiàn)后接近5萬的邏輯門。整個SoC 設計FPGA實現(xiàn)的工作主頻為24MHz ,FPGA驗證平臺上SDRAM的時鐘也為24MHz。
驗證表明:SDRAM 控制器在系統(tǒng)中工作正常。由于HDL 代碼采用參數(shù)化的設計,ASIC實現(xiàn)的版本只要做很少的修改。與FPGA不同的是,ASIC版本實現(xiàn)了門控時鐘和功耗管理,設計中的同步FIFO采用Artisan的雙端口RAM 庫生成。DC綜合采用的是SMIC的0.18μm工藝庫,延遲反標(back annotation) 的門級仿真的結(jié)果表明設計符合預期要求。
3 結(jié)束語
本設計掛載在內(nèi)部高速總線上,在具體的結(jié)構(gòu)設計方面,將系統(tǒng)的性能分析和軟硬件協(xié)同仿真相結(jié)合,優(yōu)化各模塊的設計。并且實現(xiàn)了IP的可重用設計,即不需要對結(jié)構(gòu)做大的改動,就可以重構(gòu)一個適合不同需求的片上SDRAM 控制器,只需要通過替換接口模塊掛接在其他類型的片上總線。同時,參數(shù)化的設計可以方便的選擇實現(xiàn)工藝。設計驗證中IP 的功能達到預期的要求。
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