采用VHDL語言實現(xiàn)SDRAM與雙口RAM的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計

RAM（隨機存取存儲器是一種在電子系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的器件，通常用于數(shù)據(jù)和程序的緩存。隨著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，RAM獲得了飛速的發(fā)展，從RAM、DRAM（Dynamic RAM，即動態(tài)RAM）發(fā)展到SDRAM（Synchronous Dynamic RAM，即同步動態(tài)RAM），RAM的容量越來越大、速度越來越高，可以說存儲器的容量和速度已經(jīng)成為半導(dǎo)體工業(yè)水平的標(biāo)志。

１、任務(wù)背景

SDRAM具有大容量和高速的優(yōu)點，目前其存取速度可以達(dá)到100～133MHz，單片容量可以達(dá)到64Mbit或更高，因此在需要高速、大容量存儲器的系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，如應(yīng)用在目前的計算機內(nèi)存中。但是SDRAM的控制比較復(fù)雜，其接口不能直接與目前廣泛應(yīng)用的普通微處理器例如MCS-51系列、MOTOROLA 68000系列連接，這樣就限制了SDRAM在微處理器系統(tǒng)中的應(yīng)用。

我們的任務(wù)是設(shè)計一個通用微處理器，它要具有語音、數(shù)據(jù)、圖像等多種處理功能，并具有RS232、USB等多種接口，另外由于多個通道的數(shù)據(jù)都需要進(jìn)行緩存和處理，因此高速大容量的緩存是此系統(tǒng)必須的，所以選用了SDRAM作為緩存器件。來自多個輸入通道的數(shù)據(jù)在采集后需要暫時存儲在SDRAM中，處理后的數(shù)據(jù)也需要存儲在SDRAM中，再輸出到輸出通道中。在SDRAM與多個輸入輸出通道之間，采用多個雙口RAM作為接口器件。輸入通道采集的數(shù)據(jù)首先存儲在雙口RAM中，采集滿后，通過若干條指令將RAM中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到SDRAM中的一定位置中，將SDRAM中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到RAM中也只需要若干條指令來完成。這樣通過幾條指令來設(shè)置RAM起始地址、SDRAM起始地址、傳送數(shù)據(jù)長度、傳送數(shù)據(jù)方向之后，SDRAM與RAM之間數(shù)據(jù)傳送就完全可以通過硬件實現(xiàn)，不必占用微處理器的指令時間。

２、SDRAM簡介

SDRAM具有多種工作模式，內(nèi)部操作是一個非常復(fù)雜的狀態(tài)機。SDRAM的管腳分為以下幾類：

（1） 控制信號：包括片選、時鐘、時鐘有效、行／列地址選擇、讀寫選擇、數(shù)據(jù)有效；

（2） 地址：時分復(fù)用管腳，根據(jù)行／列地址選擇管腳控制輸入地址為行地址或列地址；

（3） 數(shù)據(jù)：雙向管腳，受數(shù)據(jù)有效控制；

根據(jù)控制信號和地址輸入，SDRAM包括多種輸入命令：① 模式寄存器設(shè)置命令；② 激活命令；③ 預(yù)充命令；④寫命令；⑤ 讀命令；⑥自動刷新命令；⑦ 自我刷新命令；⑧突發(fā)停止命令；⑨ 空操作命令。

根據(jù)輸入命令，SDRAM狀態(tài)在內(nèi)部狀態(tài)間轉(zhuǎn)移。內(nèi)部狀態(tài)包括：①模式寄存器設(shè)置狀態(tài)；②激活狀態(tài)；③預(yù)充狀態(tài)；④寫狀態(tài)；⑤讀狀態(tài)；⑥自動刷新狀態(tài)；⑦自我刷新狀態(tài)；⑧節(jié)電狀態(tài)。

３、SDRAM接口狀態(tài)機設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用固定型號SDRAM，我們對SDRAM的操作進(jìn)行了以下簡化：

（1）不考慮隨機存取模式，只采用突發(fā)讀寫數(shù)據(jù)模式，固定突發(fā)數(shù)據(jù)長度為2；

（2）固定SDRAM讀命令輸入到數(shù)據(jù)輸出延時時鐘周期為２；

（3）刷新模式僅采用自我刷新模式，不采用自動刷新模式；

（4）SDRAM的初始化、節(jié)電模式由微處理器控制；

（5）SDRAM為16位數(shù)據(jù)總線，RAM為32位數(shù)據(jù)總線，SDRAM進(jìn)行一次突發(fā)操作，RAM進(jìn)行一次讀寫操作，以實現(xiàn)速度匹配；

（6）SDRAM和RAM讀寫地址采用遞增模式，連續(xù)變化。

其中，初始化、自我刷新、電源關(guān)斷、讀操作、寫操作、預(yù)充等狀態(tài)又分別各由一組子狀態(tài)組成。

為充分利用SDRAM的高速存取特性，讀、寫時序必須仔細(xì)設(shè)計，應(yīng)基本可以實現(xiàn)每個時鐘周期進(jìn)行一次數(shù)據(jù)存取。如下圖所示。

3.1 SDRAM讀操作時序設(shè)計

當(dāng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移方向為從SDRAM到雙口RAM時，如果SDRAM讀操作行地址未發(fā)生變化，可以滿足每時鐘周期輸出一次數(shù)據(jù)的高速操作。但是當(dāng)SDRAM行地址發(fā)生變化時，必須返回預(yù)充狀態(tài)，由于從SDRAM的讀命令輸入到SDRAM數(shù)據(jù)輸出之間有2個時鐘周期的延時，所以判斷下一讀操作的行地址是否發(fā)生變化必須提前兩個周期判斷。如下圖所示。

3.2 SDRAM寫操作時序設(shè)計

當(dāng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移方向為從雙口RAM到SDRAM時，如果SDRAM寫操作行地址未發(fā)生變化，可以滿足每時鐘周期寫入一次數(shù)據(jù)的高速操作。但是當(dāng)SDRAM行地址發(fā)生變化時，必須返回預(yù)充狀態(tài)，由于從SDRAM的寫命令輸入到SDRAM數(shù)據(jù)輸入之間沒有延時，所以判斷下一寫操作的行 地址是否發(fā)生變化無需提前判斷，因此寫操作狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖比讀操作部分簡單。

在所設(shè)計的讀、寫操作時序中，SDRAM地址、數(shù)據(jù)、控制信號和RAM部分的地址、數(shù)據(jù)、讀寫控制信號均由有限狀態(tài)機產(chǎn)生，因此在狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程中還必須仔細(xì)考慮RAM部分輸出控制信號的時序關(guān)系。

４、VHDL實現(xiàn)

硬件描述語言VHDL（Very=high Speed IC HARDWARE DESCRIPTION Language）是一種應(yīng)用于電路設(shè)計的高層次描述語言，具有行為級、寄存器傳輸級和門級等多層次描述，并且具有簡單、易讀、易修改和與工藝無關(guān)等優(yōu)點。目前VHDL語言已經(jīng)得到多種EDA工具的支持，綜合工具得到迅速發(fā)展，VHDL語言的行為級綜合也已經(jīng)得到支持和實現(xiàn)，因此利用VHDL語言進(jìn)行電路設(shè)計可以節(jié)約開發(fā)成本，縮短周期。在VHDL語言輸入中也有多種形式，例如可以支持直接由狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖生成VHDL語言。因此在設(shè)計SDRAM狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖后，可以直接產(chǎn)生VHDL程序，在功能仿真正確后，可以進(jìn)行綜合、FPGA布局布線和后仿真。

以上介紹了一種應(yīng)用于通用微處理器系統(tǒng)中的SDRAM與雙口RAM之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移接口控制電路，由VHDL語言設(shè)計，用XILINX公司4000系列FPGA實現(xiàn)，目前該電路硬件實現(xiàn)和微處理器系統(tǒng)已經(jīng)通過驗證，證明可將SDRAM作為高速、大容量存儲器應(yīng)用在簡單電子系統(tǒng)中。

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