多端口SDRAM控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　0 引 言

　　目前，在很多視頻數(shù)據(jù)采集以及實(shí)時(shí)顯示的應(yīng)用開(kāi)發(fā)中，常需要用到存儲(chǔ)容量大、讀寫(xiě)速度快的存儲(chǔ)器。在各種存儲(chǔ)器件中，同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SDRAM 以其速度快、容量大、價(jià)格低的特點(diǎn)而備受關(guān)注。SDRAM 的工作頻率可以達(dá)到100MHz 甚至更高，但是在其工作周期內(nèi)，因?yàn)橐兴⑿?、預(yù)充電以及尋址等必要的操作，不可能總處于數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，使得它的帶寬不能達(dá)到百分之百的利用，實(shí)時(shí)顯示效果因此受到影響。為此，本文在研究有關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)具體情況提出了一種獨(dú)特的方法，利用FPGA 的片上資源開(kāi)辟了多個(gè)FIFO 作為讀寫(xiě)緩存，實(shí)現(xiàn)了多端口SDRAM 控制器的設(shè)計(jì)，并用Verilog 硬件描述語(yǔ)言[1] 給予實(shí)現(xiàn)，仿真結(jié)果表明該控制器能夠輪流地從多個(gè)緩存向SDRAM 進(jìn)行存取，實(shí)現(xiàn)了高速多數(shù)據(jù)緩存，充分利用了SDRAM 的有效帶寬，提高了存取速度，從而達(dá)到實(shí)時(shí)顯示的要求，并且只要將該設(shè)計(jì)稍加修改，便可應(yīng)用到其他需要多數(shù)據(jù)緩存的場(chǎng)合。

　　1 SDRAM 基本操作原理[2] [3]

　　SDRAM 的主要控制信號(hào)有：CS_N：片選使能；CAS_N：列地址選通信號(hào)；RAS_N： 行地址選通信號(hào)；WE_N：寫(xiě)使能信號(hào)；DQM：字節(jié)掩碼信號(hào)；ADDR：地址線(xiàn)。以上這些信號(hào)的邏輯組合就組成了SDRAM 的主要操作命令，如表1 所示：

　　表1.SDRAM 主要操作命令表SDRAM 的主要操作如下：

　　1.1 初始化操作

　　SDRAM 上電一段時(shí)間后, 經(jīng)過(guò)初始化操作才可以進(jìn)入正常工作過(guò)程。初始化主要完成預(yù)充電、自動(dòng)刷新和模式寄存器的配置。

　　1.2 SDRAM 的基本讀寫(xiě)操作

　　讀寫(xiě)操作主要完成與SDRAM 的數(shù)據(jù)交換?？梢苑譃榉峭话l(fā)連續(xù)操作模式和突發(fā)連續(xù)操作模式, 非突發(fā)指的是傳送數(shù)據(jù)和地址必須是相對(duì)應(yīng)一個(gè)一個(gè)的傳輸, 突發(fā)模式則是地址控制信號(hào)只需要給出首地址信息, 而數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)連續(xù)傳輸過(guò)程, 突發(fā)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度可以為1, 2,4, 8 和全頁(yè)。

　　1.3 刷新操作

　　動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器都存在刷新問(wèn)題。SDRAM 的刷新方式有自動(dòng)刷新和自主刷新, 這里主要采用自動(dòng)刷新方式, 每隔一段時(shí)間向SDRAM 發(fā)一條刷新命令。

　　2 基于FPGA 的多端口SDRAM 控制器設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)中選用的FPGA 是Altera 公司生產(chǎn)的CycloneII 系列中的EP2C35，選用的SDRAM 是ISSI 推出的64-MBIT 的IS42S16400B ，它是以1MWords X 16Bits X 4Banks 為組織結(jié)構(gòu)的同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，最高時(shí)鐘頻率可達(dá)143MHz[4]。

　　視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖1 所示[5]：

　　SDRAM 作為幀緩沖器，它的上一級(jí)數(shù)據(jù)輸入是25MHz 的視頻數(shù)據(jù)采集模塊，所得到的數(shù)據(jù)經(jīng)處理以后是每個(gè)像素點(diǎn)30 位數(shù)據(jù)，下一級(jí)是VGA 顯示器以25MHz 的時(shí)鐘進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出，也要求是每個(gè)像素點(diǎn)30 位，而SDRAM 的數(shù)據(jù)寬度是16 位，因而每當(dāng)存入和讀取一個(gè)像素點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)，各需要進(jìn)行兩次傳輸。本款芯片SDRAM 的工作頻率雖然可設(shè)置為100MHz ，但是如果不加緩存的話(huà)，就不能使用頁(yè)突發(fā)模式來(lái)有效利用帶寬，而且SDRAM 內(nèi)部其他操作也需要占用一定的時(shí)間，不能達(dá)到實(shí)時(shí)顯示的效果。本文在研究有關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，利用FPGA 的片上資源開(kāi)辟4 個(gè)FIFO 緩存，將SDRAM 的數(shù)據(jù)端口仿真成四個(gè)虛擬端口（兩個(gè)寫(xiě)端口+兩個(gè)讀端口），每個(gè)端口的數(shù)據(jù)寬度都是16位，深度是兩頁(yè)SDRAM 的大小。且按照一致的規(guī)則將30 位采集和顯示的數(shù)據(jù)分成兩組與緩存進(jìn)行存取，相應(yīng)的，在SDRAM 上使用兩個(gè)Bank 來(lái)分別存取每組數(shù)據(jù)?？刂破鞲鶕?jù)緩存FIFO 的狀態(tài)對(duì)SDRAM 發(fā)出讀寫(xiě)請(qǐng)求，采用頁(yè)模式突發(fā)傳輸和Bank 切換的方式來(lái)匹配時(shí)序要求。

　　SDRAM 控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示：

　　各功能模塊描述如下：

　　2.1 多端口讀寫(xiě)控制模塊

　　該模塊是與外設(shè)交換數(shù)據(jù)的接口，并且根據(jù)緩存FIFO 的狀態(tài)，自動(dòng)生成對(duì)SDRAM 的讀寫(xiě)請(qǐng)求以及數(shù)據(jù)緩沖處理。它是本設(shè)計(jì)的核心。下面著重描述一下讀寫(xiě)請(qǐng)求產(chǎn)生的設(shè)計(jì)過(guò)程和簡(jiǎn)要代碼。

　　將數(shù)據(jù)采集模塊得到的兩組數(shù)據(jù)同時(shí)存貯到各自的寫(xiě)緩存FIFO 里，只要寫(xiě)緩存里的數(shù)據(jù)達(dá)到了SDRAM 每頁(yè)的數(shù)據(jù)大小，就產(chǎn)生對(duì)SDRAM 的寫(xiě)請(qǐng)求，因?yàn)槊總€(gè)緩存的大小是兩頁(yè)SDRAM ，所以此時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊還可以繼續(xù)存數(shù)據(jù)。類(lèi)似的，VGA 所顯示的數(shù)據(jù)也是從兩個(gè)讀緩存 FIFO 得到的，只要讀緩存里的數(shù)據(jù)小于SDRAM 每頁(yè)的數(shù)據(jù)，就產(chǎn)生對(duì)SDRAM 的讀請(qǐng)求，這樣每個(gè)緩存里的兩頁(yè)輪流操作。關(guān)鍵代碼如下：

　　2.2 地址生成模塊：

　　該模塊用來(lái)自動(dòng)生成對(duì)SDRAM進(jìn)行存取操作的Bank地址，起始地址和突發(fā)長(zhǎng)度。由于30位的像素?cái)?shù)據(jù)等分各存入兩個(gè)Bank里，所以在Bank里它們的對(duì)應(yīng)地址是相同變化的，這樣存取數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)兩個(gè)Bank的讀寫(xiě)地址的控制就是統(tǒng)一增減的，降低了使用一個(gè)Bank時(shí)讀寫(xiě)控制的繁雜性。

　　2.3 自動(dòng)刷新模塊：

　　SDRAM需要不斷的刷新操作，同一行的存儲(chǔ)單元每隔64m s 需要刷新一次，對(duì)于本芯片的一個(gè)Bank 中的4096 行存儲(chǔ)單元，則每15. 625us 就需要發(fā)出一個(gè)刷新命令，由于本設(shè)計(jì)采取緩存的辦法，所以應(yīng)該按讀寫(xiě)SDRAM到緩存FIFO的時(shí)間為準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)刷新計(jì)數(shù)器的初始值。以頁(yè)模式進(jìn)行讀寫(xiě)，讀數(shù)據(jù)的整個(gè)時(shí)間過(guò)程是tRCD+ tCL+mLENGTH ，寫(xiě)數(shù)據(jù)的整個(gè)時(shí)間過(guò)程是tRCD+mLENGTH ，其中tRCD是激活命令到讀或?qū)懨钇陂g的延遲，tCL是讀命令發(fā)出后到第一個(gè)有效數(shù)據(jù)之間的間隔，mLENGTH 是SDRAM 的頁(yè)長(zhǎng)，本設(shè)計(jì)中tRCD =3， tCL=3，mLength=256 。因此刷新計(jì)數(shù)器的初始值設(shè)置為2X(256+3+3)+ 2X(256+3)=1042 ，經(jīng)計(jì)算遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于所要求的刷新周期，初值設(shè)置合理。開(kāi)始工作后，每當(dāng)刷新計(jì)數(shù)器值減為0， 便會(huì)發(fā)出刷新命令，保證SDRAM內(nèi)的數(shù)據(jù)不丟失，自動(dòng)刷新之后直接進(jìn)行預(yù)充電來(lái)關(guān)閉工作行。

　　2.4 命令產(chǎn)生模塊：該模塊主要負(fù)責(zé)命令仲裁、命令生成以及時(shí)序控制等。SDRAM 優(yōu)先級(jí)仲裁算法通常有兩種：一種是固定優(yōu)先級(jí)算法，另一種是循環(huán)優(yōu)先級(jí)算法。本文設(shè)計(jì)的SDRAM 控制器是應(yīng)

　　用在實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)中的，對(duì)數(shù)據(jù)處理效率要求很高，因此設(shè)計(jì)中選用固定優(yōu)先級(jí)算法。本文規(guī)定優(yōu)先級(jí)如下：初始化請(qǐng)求>刷新請(qǐng)求>讀請(qǐng)求>寫(xiě)請(qǐng)求>其他。

　　2.5 時(shí)鐘產(chǎn)生模塊：

　　通過(guò)使用PLL(鎖相環(huán)) 資源為FPGA 內(nèi)部的時(shí)序元件提供穩(wěn)定的時(shí)鐘以及為SDRAM 提供可靠的時(shí)鐘，本設(shè)計(jì)中為100MHz 。

　　1 SDRAM 控制接口模塊：該模塊主要完成對(duì)SDRAM 的命令解碼、初始化配置等。

　　2 數(shù)據(jù)通路模塊：

　　根據(jù)模式寄存器的模式字及對(duì)用戶(hù)指令的分析結(jié)果，使SDRAM 的地址及數(shù)據(jù)和相應(yīng)的操作指令在時(shí)序上同步。

　　3 仿真驗(yàn)證

　　使用Modesim 軟件[6]對(duì)多端口SDRAM 控制器進(jìn)行仿真驗(yàn)證，得到的SDRAM 讀寫(xiě)信號(hào)仿真波形圖時(shí)序合理、邏輯正確，可以從多個(gè)緩存FIFO 輪流地向SDRAM 以頁(yè)突發(fā)模式進(jìn)行讀寫(xiě)操作，有效利用了SDRAM 的帶寬，而數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)顯示模塊可以在不受SDRAM 操作時(shí)序影響的情況下，連續(xù)地向緩存FIFO 中存取數(shù)據(jù)。仿真波形如圖3 所示：

　　將該控制器集成到視頻數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，經(jīng)QuartusII 分析綜合，生成的網(wǎng)表文件下載到FPGA 芯片上，并將數(shù)字?jǐn)z像頭和VGA 顯示器連接好，進(jìn)行實(shí)際硬件驗(yàn)證，幾經(jīng)調(diào)試，該系統(tǒng)已能夠成功運(yùn)行并且達(dá)到了良好的實(shí)時(shí)顯示效果。

　　4 結(jié) 論

　　本文使用狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)思想，采用Verilog 硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于FPGA 的，可用于多數(shù)據(jù)緩存的、高效利用SDRAM 帶寬的多端口SDRAM 控制器。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的SDRAM 控制器能夠完成多端口數(shù)據(jù)緩存，充分利用了SDRAM 的有效帶寬，提高了存取速度，只要稍加修改就可以應(yīng)用到圖像處理，視頻監(jiān)控等需要高速多數(shù)據(jù)緩存的場(chǎng)合，可重用性好。