高速嵌入式視頻系統(tǒng)中SDRAM時序控制分析

在高速數(shù)字視頻系統(tǒng)應(yīng)用中，使用大容量存儲器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存是一個必不可少的環(huán)節(jié)。SDRAM就是經(jīng)常用到的一種存儲器。

但是，在主芯片與SDRAM之間產(chǎn)生的時序抖動問題阻礙了產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)。在數(shù)字電視接收機(jī)的生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用中，不同廠家的PCB板布線、PCB材料和時鐘頻率的不同，及SDRAM型號和器件一致性不同等原因，都會帶來解碼主芯片與SDRAM間訪問時序的抖動問題。

本文利用C-NOVA公司數(shù)字電視MPEG-2解碼芯片AVIA9700內(nèi)置的SDRAM控制器所提供的時序補(bǔ)償機(jī)制，設(shè)計(jì)了一個方便使用的內(nèi)存時序測試軟件工具，利用這個工具，開發(fā)測試人員可在以AVIA9700為解碼器的數(shù)字電視接收機(jī)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中進(jìn)行快速診斷，并解決SDRAM的時序問題。

數(shù)字電視系統(tǒng)

SDRAM時序控制

AVIA9700內(nèi)集成了一個SDRAM控制器，該控制器提供一套完整的SDRAM接口。AVIA9700與SDRAM接口中的控制線、地址線和數(shù)據(jù)線都同步在MCLK時鐘上。圖1是用兩片16位SDRAM組合形成32位數(shù)據(jù)線的典型連接示意圖。

圖1 SDRAM與AVIA9700典型鏈接示意圖

SDRAM控制線

正確讀寫時序條件

AVIA9700解碼芯片訪問SDRAM的時序如圖2所示。

圖2 AVIA9700訪問SDRAM時序示意圖

要正確訪問SDRAM，建立時間和保持時間很關(guān)鍵。建立時間在觸發(fā)器采樣之前，在這段時間，數(shù)據(jù)必須保持有效的時間，否則會產(chǎn)生setup violation;保持時間在解發(fā)器開始采樣之后，數(shù)據(jù)必須保持有效的時間，否則會產(chǎn)生hold violation。因此，要正確讀寫SDRAM的時序條件，需要滿足以下兩個公式：

SDRAM_Setup_time_min < T_cycle-control_signal_valid_max-control_signal_Delay_max+ clock_delay_min (1)

SDRAM_Hold_time_min < control_signal_valid_min + control_signal_delay_min- clock_delay_m_ax???? (2)

這里，T_cycle 為SDRAM時鐘周期，Control signal valid為控制信號從時鐘上升沿到輸出有效時間，delay為布線所引起的延時。

對于低頻設(shè)計(jì)，線互連和板層的影響很小，可以不考慮。當(dāng)頻率超過50MHz或信號上升時間Tr小于6倍傳輸線延時時,互連關(guān)系必須以傳輸線理論納入考慮之中,而在評定系統(tǒng)性能時也必須考慮PCB板材料的電參數(shù)。由于AVIA9700輸出時鐘信號MCLK工作在108MHz~148.5MHz之間，所以設(shè)計(jì)時必須考慮布線延時引起的SDRAM時序問題。

AVIA9700 SDRAM

時序控制機(jī)制

為了補(bǔ)償布線延時，滿足公式(1)和公式(2)的要求，AVIA9700的內(nèi)置SDRAM控制器提供了兩個延時補(bǔ)償參數(shù)：SDRAM_CLK_IN 和SDRAM_CLK_OUT。這兩個參數(shù)都是8位的整數(shù)，可以提供不同的時鐘延時組合，解決各種復(fù)雜數(shù)字電視接收機(jī)系統(tǒng)中的SDRAM時序問題。

通過嵌入式應(yīng)用軟件，開發(fā)人員可以調(diào)整SDRAM_CLK_IN的參數(shù)來控制讀入數(shù)據(jù)的時鐘延時。同樣，對SDRAM_CLK_OUT的設(shè)置也可以改變輸出時鐘的延時。通過設(shè)置SDRAM_CLK_OUT (OutTapSel=X)改變輸出的MCLK時鐘相位，補(bǔ)償各種不同的布線延時，可以解決高速數(shù)字電視系統(tǒng)的SDRAM時序問題。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于不同整機(jī)廠會采用不同廠家的SDRAM，PCB布線也會因?yàn)闄C(jī)器結(jié)構(gòu)原因發(fā)生較大變化，時鐘工作頻率和選用器材的不一致性等，都會引起公式(1)、(2)中的參數(shù)發(fā)生變化。這些因素的組合，往往使布線延時問題變得復(fù)雜。

AVIA9700 SDRAM

時序診斷軟件及測試結(jié)果

為了方便開發(fā)人員快速解決問題，本文利用AVIA9700內(nèi)置SDRAM控制器提供的時鐘延時補(bǔ)償機(jī)制，設(shè)計(jì)了一個診斷工具。

基于AVIA9700數(shù)字電視接收機(jī)，由于PCB、元器件、系統(tǒng)頻率都已經(jīng)定型，影響布線延時的電氣特性已經(jīng)固化。通過改變 SDRAM_CLK_IN和SDRAM_CLK_OUT組合，設(shè)計(jì)人員可以測試不同組合下的SDRAM訪問錯誤率，根據(jù)錯誤率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)制成統(tǒng)計(jì)圖，如圖3 所示。圖中縱坐標(biāo)為SDRAM_CLK_IN，由于寄存器是8位，因此選取坐標(biāo)取值范圍在0~255之間(28);橫坐標(biāo)為SDRAM_CLK_OUT，取值范圍也在0~255之間。對該范圍內(nèi)的某一點(diǎn)所對應(yīng)的寄存器設(shè)置，診斷軟件都要自動重復(fù)10000次讀寫操作。設(shè)計(jì)人員可以利用最后生成的圖形，快速準(zhǔn)確地選定SDRAM_CLK_IN和SDRAM_CLK _OUT的值，并將其固化在最終生產(chǎn)版本的軟件中。

圖3 SDRAM時序測試統(tǒng)計(jì)圖

這里，補(bǔ)償參數(shù)的選擇原則是，組合值需要在測試圖中無錯區(qū)域的中心，且距離邊界大于25。

結(jié)語

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過SDRAM控制器來補(bǔ)償布線延時可以很好地解決SDRAM時序問題。

參考文獻(xiàn)

1. Howard Honson, Martin Graham. 高速數(shù)字設(shè)計(jì)[ M ] . 電子工業(yè)出版社. 2004

2. AVIA9700 datasheet C-NOVA, Inc. 2004

3. AVIA9700 programming guide C-Nova, Inc. 2004