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利用FPGA實(shí)現(xiàn)MMC2107與SDRAM接口設(shè)計(jì)
摘要：介紹基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA），利用VHDL語言設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)MMC2107與SDRAM接口電路。文中包括MMC2107組成結(jié)構(gòu)、SDRAM存儲(chǔ)接口結(jié)構(gòu)和SDRAM控制狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 SDRAM EBI VHDL 狀態(tài)機(jī) K4S560832A
引言
在嵌入式系統(tǒng)中，微控制器中通常有一定容量的存儲(chǔ)器，用來存放程序和數(shù)據(jù)，但由于片內(nèi)存儲(chǔ)器受器件規(guī)模和生產(chǎn)成本的制約，其容量通常不能滿足用戶實(shí)際需求，還需要使用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件來擴(kuò)展存儲(chǔ)空間。如果采用SDRAM進(jìn)行存儲(chǔ)擴(kuò)展，可以大幅度地降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本；但SDRAM控制時(shí)序比較復(fù)雜，給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來很大困難。為了方便使用SDRAM，實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)中存儲(chǔ)的大容量擴(kuò)展，本文介紹一種新穎的解決方案：采用FPGA技術(shù)和VHDL語言，實(shí)現(xiàn)MMC2107微控制器與SDRAM的接口設(shè)計(jì)。
1 SDRAM內(nèi)部結(jié)構(gòu)
SDRAM是一種具有同步接口的高速動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。本文語選用的是三星公司生產(chǎn)的32M×8位SDRAM器件K4S560832A。K4S560832A存儲(chǔ)總?cè)萘?56M位，內(nèi)部分成4個(gè)全，每個(gè)體8M字節(jié)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。
K4S560832A為了能滿足各種系統(tǒng)的使用要求，提供了時(shí)鐘頻率、猝發(fā)長(zhǎng)度、延時(shí)節(jié)拍等可編程參數(shù)。在芯片上電后可以通過地址線A12～A0配置，芯片只有在完成配置后才能進(jìn)入正常工作狀態(tài)。在具體操作SDRAM時(shí)，首先，必須進(jìn)行初始化配置，即寫模式寄存器，以便確定DRAM列選延遲節(jié)拍數(shù)、猝發(fā)類型、猝發(fā)長(zhǎng)度等工作模式。然后通過ACT命令激活對(duì)應(yīng)地址的組，同時(shí)輸入行地址。最后，通過RD或WR命令輸入列地址，將相應(yīng)數(shù)據(jù)讀出或?qū)懭氲綄?duì)應(yīng)的地址。操作完成后，用相關(guān)命令中止讀或?qū)懖僮�。在沒有操作的時(shí)候，每64ms必須對(duì)所有存儲(chǔ)單元刷新一遍（8192行），防止數(shù)據(jù)丟失。
圖1 K4S560832A內(nèi)部結(jié)構(gòu)
2 MMC2107組成結(jié)構(gòu)及外部總線接口
MMC2107是32位M-CORE系列MCU，是以M210microRISC核為CPU，最高系統(tǒng)時(shí)鐘可達(dá)33MHz；在MIPS。MMC2107是基于M210 CPU的、通用MCU系列中的第一個(gè)成員，具有很低的功耗；在主模式下，以最大系統(tǒng)時(shí)鐘運(yùn)行，并且片內(nèi)所有模塊全部處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，最大的工作電流為200mA，特別適合于由電池供電的應(yīng)用場(chǎng)合。MMC2107的組成框圖如圖2所示。
從圖2可以看出，MMC2107片內(nèi)除了M210核以外，主要還有128KB Flash、8KB SRAM、外部總線接口、時(shí)鐘模塊、復(fù)位模塊、M-CORE到IPBUS之間的接口、中斷控制器模塊、8位邊沿端口葦、2個(gè)可編程間隔定時(shí)器（PIT1和PIT2）、看門狗定時(shí)器WDT、2個(gè)定時(shí)器模塊（TIM1和TIM2）、串行外圍接口SPI、2個(gè)串行通信接口（SCI1和SCI2）、ADC模塊、多個(gè)通用的輸入/輸出信號(hào)、TAP控制器等功能及模塊。
MMC2107在主模式和仿真模式下，支持MCORE訪問外部的存儲(chǔ)器或設(shè)備。這時(shí)，M-CORE的本地總線（內(nèi)部總線）擴(kuò)展到片外，由外部總線接口（EBI）負(fù)責(zé)控制M-CORE局部總線和外地址空間之間的信息傳送。EBI有23位地址總線A[22:0]和4個(gè)片選信號(hào)CS[3:0]，使M-CORE的外部存儲(chǔ)存儲(chǔ)器地址空間可達(dá)32MB。EBI的數(shù)據(jù)傳送寬度可以是32位的，也可以是16位的，可以由片選模塊按4個(gè)片選通道分別予以設(shè)定，即片選通道0～3可各自編程選定。為了便于與各種速度的外設(shè)備相連，EB1在片選模塊的控制下，可以形成所需長(zhǎng)度的外總線周期。在EBI發(fā)起一個(gè)外部數(shù)據(jù)傳送以后，EBI驅(qū)動(dòng)并保持傳送所需的各種信號(hào)，直到該總線周期結(jié)束。使EBI結(jié)束現(xiàn)行總線周期的方法有兩種：EBI收到了由外邏輯發(fā)來的傳送響應(yīng)信號(hào)TA或TEA，或者收到了內(nèi)部傳送響應(yīng)信號(hào)，片選模塊可以為4個(gè)片選通道分別選擇總線周期結(jié)束的方法。
圖2 MMC2107組成框圖
3 FLEX10K系列FPGA
隨著深亞微米VLSI技術(shù)的迅速發(fā)展，F(xiàn)PGA/CPLD等可編程器件的資源有極大的發(fā)展。尤其是FPGA，器件的集成度已達(dá)到上千萬門，系統(tǒng)工作頻率已達(dá)到幾百M(fèi)Hz。FLEX10K系列FPGA是工業(yè)界第一個(gè)嵌入式的可編程邏輯器件。由于其具有高密度、低成本、低功率等特點(diǎn)，所以脫穎而出成為當(dāng)今Altera CPLD中應(yīng)用前景最好的器件系列。到目前為止，F(xiàn)LEX 10K系列已經(jīng)推出了FLEX10K、FLEX10KA、FLEX10KB、FLEX 10KV和FLEX10KE等5種分支系列，其集成度也達(dá)到前所未有的250 000門。FLEX10K主要由嵌入式陣列塊（EAB）、邏輯陣列塊（LAB）、快速布線通道（FastTrack）和I/O單元組成，具有如下特點(diǎn)：
①片上集成了實(shí)現(xiàn)宏函數(shù)的嵌入式陣列和實(shí)現(xiàn)普通函數(shù)的邏輯陣列；
②高密度，具有10 000～250 000個(gè)可用門；
③支持多電壓（multivolt）I/O接口，低功耗，遵守全PCI總線規(guī)定，內(nèi)帶JTAG邊界掃描測(cè)試電路；
④通過外部EPROM、集成控制器或JTAG接口實(shí)現(xiàn)在電路可重構(gòu)（ICR）；
⑤快速、可預(yù)測(cè)連線延時(shí)的快速通道連續(xù)式布線結(jié)構(gòu)；
⑥實(shí)現(xiàn)高速、多輸入邏輯函數(shù)的專用級(jí)聯(lián)鏈；
⑦增強(qiáng)功能的I/O引腳，每個(gè)引腳都有一個(gè)獨(dú)立的三態(tài)輸出使能控制，都有漏極開路選擇；
⑧具有快速建立時(shí)間和時(shí)鐘到輸出延時(shí)的外部寄存器；
⑨多種封裝方式可任意選擇。
本文所采用的FLEX 10K系列器件是FLEX 10KA EPF10K30AQC240引腳器件。
圖3 SDRAM存儲(chǔ)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 圖4 SDRAM存儲(chǔ)器初始化狀態(tài)機(jī)
4 MMC2107微控制器SDRAM接口設(shè)計(jì)
本文介紹MMC2107外部SDRAM存儲(chǔ)系統(tǒng)的實(shí)際存儲(chǔ)容量為32M×32位，使用4片三星公司生產(chǎn)的K4S560832A存儲(chǔ)器芯片。系統(tǒng)MMC2107支持對(duì)存儲(chǔ)單元的讀寫和刷新。MMC2107對(duì)讀寫存儲(chǔ)器的讀寫以32位單位進(jìn)行（數(shù)據(jù)寬度32位），每次讀寫由外部決定訪存周期。采用分散刷新方式，7.8μs執(zhí)行1次自動(dòng)刷新命令；如果長(zhǎng)時(shí)間沒有訪存操作，自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式。
4.1 SDRAM存儲(chǔ)接口結(jié)構(gòu)
本文使用了1片F(xiàn)PGA可編程器件來設(shè)計(jì)SDRAM控制接口（下文稱為SDRAM控制器），SDRAM控制器接受MCU的寫、讀命令。由于K4S560832A時(shí)鐘頻率為133MHz，SDRAM要求在64ms內(nèi)刷新8192行數(shù)據(jù)，因此該器件每間隔7.8μs執(zhí)行一次自動(dòng)刷新命令，計(jì)數(shù)器數(shù)值應(yīng)小于7.8μs×133MHz=1037.4。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)滿1037次時(shí)，內(nèi)部設(shè)置一個(gè)刷新定時(shí)器給出刷新命令，由SDRAM內(nèi)部狀態(tài)控制器產(chǎn)生對(duì)K4S460832A的相應(yīng)操作命令序列。數(shù)據(jù)線不通過SDRAM控制器，4片SDRAM各輸出1字節(jié)寬度的數(shù)據(jù)。SDRAM存儲(chǔ)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖5 SDRAM存儲(chǔ)器讀狀態(tài)機(jī)及時(shí)序關(guān)系
4.2 SDRAM控制狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)
SDRAM狀態(tài)機(jī)用來實(shí)現(xiàn)其初始化、命令仲裁、單字讀/寫、猝發(fā)讀/寫、自動(dòng)刷新和自刷新操作。
（1）存儲(chǔ)器器件初始化
存儲(chǔ)器初始化過程嚴(yán)格按照K4S560832A上電順序要求，對(duì)器件完成初始化設(shè)置。上電后延時(shí)200μs后對(duì)所有體進(jìn)行預(yù)充電，計(jì)數(shù)器數(shù)值=200μs×133MHz=26 000次。然后，給出兩個(gè)自動(dòng)刷新命令，進(jìn)行模式設(shè)置，初始化結(jié)束后進(jìn)入空閑狀態(tài)T0，等待對(duì)存儲(chǔ)器的訪問命令。其過程狀態(tài)如圖4所示。
（2）命令仲裁
完成存儲(chǔ)器上電初始化后，SDRAM進(jìn)入空閑態(tài)T0，在該狀態(tài)進(jìn)行命令仲裁。由于讀寫命令來自MCU，在同一時(shí)刻只能有一個(gè)有效，它們之間不需要仲裁。讀寫命令和刷新命令的仲裁原則為先來先服務(wù)，同時(shí)到達(dá)時(shí)讀寫優(yōu)先。若長(zhǎng)時(shí)間沒有訪問請(qǐng)求（SDRAM控制狀態(tài)機(jī)內(nèi)部定時(shí)器探測(cè)），則令存儲(chǔ)器進(jìn)入低功耗模式。在存儲(chǔ)器進(jìn)入低功耗模式后，讀寫命令可以把狀態(tài)從低功耗模式拉出，而自動(dòng)刷新請(qǐng)求則被屏蔽。
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（3）存儲(chǔ)器讀
由于嵌入式系統(tǒng)時(shí)鐘頻率較低，置存儲(chǔ)器讀延時(shí)節(jié)拍數(shù)（CL）為“2”，讀操作由四個(gè)狀態(tài)組成。由于存儲(chǔ)器件讀操作分為單字讀和猝發(fā)讀兩種方式，因此，設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)數(shù)器來區(qū)分兩種讀操作，并用該計(jì)數(shù)器定義猝發(fā)讀的長(zhǎng)度。當(dāng)計(jì)數(shù)器=0時(shí)，進(jìn)行單字讀操作；當(dāng)計(jì)數(shù)器≠0時(shí)，進(jìn)行猝發(fā)讀操作，計(jì)數(shù)器在時(shí)鐘信號(hào)的觸發(fā)下遞減，連續(xù)讀出若干個(gè)數(shù)據(jù)，直至計(jì)數(shù)器=0，完成猝發(fā)讀操作。其狀態(tài)轉(zhuǎn)換及時(shí)序關(guān)系如圖5所示。
（4）存儲(chǔ)器寫
存儲(chǔ)器寫操作由三個(gè)狀態(tài)組成。其狀態(tài)轉(zhuǎn)換及時(shí)序關(guān)系如圖6所示。由于存儲(chǔ)器件寫操作分為單字寫和猝發(fā)寫兩種方式，因此設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)數(shù)器來區(qū)分兩種寫操作，并用該計(jì)數(shù)器來定義猝發(fā)寫的長(zhǎng)度。當(dāng)計(jì)數(shù)器=0時(shí)，進(jìn)行單字節(jié)寫操作；當(dāng)計(jì)數(shù)器≠0時(shí)，進(jìn)行猝發(fā)寫操作。計(jì)數(shù)器在時(shí)鐘信號(hào)的觸發(fā)下遞減，連續(xù)寫入若干個(gè)數(shù)據(jù)直至計(jì)數(shù)器=0，完成猝發(fā)寫操作。
圖7 自動(dòng)刷新和自刷新狀態(tài)轉(zhuǎn)換
（5）存儲(chǔ)器自動(dòng)刷新和自刷新
自動(dòng)刷新操作由2個(gè)節(jié)拍組成，自刷新由11個(gè)節(jié)拍組成。進(jìn)入自刷新模式之前和退出自刷新模式后各進(jìn)行1次自動(dòng)刷新操作。自動(dòng)刷新和自刷新操作狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖7所示。
SDRAM狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)完成后，利用VHDL語言對(duì)SDRAM狀態(tài)機(jī)進(jìn)行行為描述，然后編譯、模擬仿真和適配下協(xié)，并注意合理的引腳定義，充分利用芯片資源，由于FPGA通用、高速及價(jià)廉的特點(diǎn)，因此具有很好的應(yīng)用前景，尤其適用于需要大容量存儲(chǔ)器擴(kuò)展的嵌入式系統(tǒng)中。
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