多路讀寫SDRAM接口設計

存儲器是容量數據處理電路的重要組成部分。隨著數據處理技術的進一步發展，對于存儲器的容量和性能提出了越來越高的要求。同步動態隨機存儲器SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)因其容量大、讀寫速度快、支持突發式讀寫及相對低廉的價格而得到了廣泛的應用。SDRAM的控制比較復雜，其接口電路設計是關鍵。

　　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，應用于解復用的SDRAM接口電路的設計方法;最后給出了實現結果。

　　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
突發操作停止（BTR：Burst terminate） L H H L
預充電（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、輸入輸出數據都與外部時鐘同步。

　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接口很復雜。由于本文的SDRAM接口應用于解復用，處理的事件相對來說比較簡單，因而可以簡化設計而不影響性能。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，經過初始化操作才可以進入正常工作過程。初始化主要完成預充電、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的數據交換。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 接口電路的設計

　　(1)解復用電路

　　本解復用電路主要完成將1路高速數據流解復用為4路數據流，其結構框圖如圖5所示。1路數據流進入解復用器后，經過SDRAM緩沖，解復用為4路數據流。

　　由于要解復用為4路數據流，為了充分利用時隙，滿足高速的要求，采用4個bank的SDRAM，各路數據緩沖對應不同的bank。為簡化設計，數據流1的緩沖區定為bank0，數據流2的緩沖區定為bank1，數據流3的緩沖區定為bank2數據流4的緩沖區定為bank3。對于每路數據實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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　　由于進行的是解復用，因此寫入的數據只有1路，但是有可能4路數據同時都要讀出。所以對于4路數據流，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

　　高速數據流的速率為3M字節/秒，采用的系統時鐘為20倍的字節時鐘。送入SDRAM的時鐘為60MHz系統時鐘。在一個字節時鐘內對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，每個字節時鐘進行一次刷新操作。根據SDRAM的時序要求，這樣的操作是難以實現的。因而要通過多bank操作，盡量做到時分復用來實現。圖6給出了在一個字節時鐘周期的內數據流1進行讀寫操作，其它3路數據進行讀操作的命令排序時序圖。可以看出通過多bank操作，時分復用，在20個系統時鐘節拍內所需的讀寫操作命令剛好很緊湊地排開。

?　　一個字節時鐘內對SDRAM讀寫操作是隨機的，這與數據流的復用比例有在。為了滿足時序，根據上面的說明，需要把一個字節時鐘周期內對SDRAM的命令合理排序，然后按照排好的順序執行命令。這樣就需要把一個字節時鐘周期內對SDRAM的操作進行緩存，然后在下一個字節時鐘周期內進行排序、與SDRAM命令相對應、將命令譯碼產生相應的控制信號線，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存儲一個字節時鐘周期內的操作，以備下一字節時鐘的排序。為了方便處理，對每路數據的緩沖操作內容(或讀或寫)放在一個緩沖區。由于數據流的連續性，排序的同時仍然會有操作要求，因此每路的操作內容緩沖區分為兩塊。對一塊緩沖區寫入時，讀出另一塊緩沖區中的操作內容，進行排序、譯碼、執行。根據字節時鐘切換對緩沖區的讀寫，從而避免沖突。對于從SDRAM讀出的數據，每路數據寫入相應的讀出數據緩沖區。同樣每路的讀出數據緩沖區也分為兩塊，根據字節時鐘切換讀寫。

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

　　整個接口電路的結構框圖如圖8所示。

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　　4 SDRAM接口的實現結果

　　針對MT48LC8M8A2的SDRAM，采用同步設計方法，用Verilog HDL硬件描述語言建立模型，接口電路已經調試通過，規模為2100門(NAND)。整個解復用電路也已經調試通過。