摘  要： 通用DDR SDRAM控制器的設(shè)計方法，以及一種解決DDR SDRAM所特有讀寫方式難于控制的問題的方法。
　　關(guān)鍵詞： 雙數(shù)據(jù)率SDRAM  數(shù)字鎖相環(huán)  預(yù)充電  突發(fā)讀寫

 　　SDRAM是具有同步接口的高速動態(tài)隨機訪問存儲器。它由于具有大容量、讀寫速度較快、支持突發(fā)式讀寫及價格低廉而得到了廣泛的應(yīng)用。但是近幾年來，市面上出現(xiàn)了一種從SDRAM技術(shù)發(fā)展而來的DDR(Double Data Rate)SDRAM新型存儲器。該存儲器除了具有SDRAM的所有優(yōu)點外，還由于采用了雙時鐘差分信號等技術(shù)，使其在時鐘觸發(fā)沿的上、下沿都能進行數(shù)據(jù)傳輸(傳輸速率是普通SDRAM的2倍)，且在價格上也低于SDRAM。在需要大容量存儲器的系統(tǒng)中，如臺式機、工作站、服務(wù)器、高性能圖形適配器等選用DDR SDRAM將是一種很好的選擇。但是DDR SDRAM的控制時序比較復(fù)雜，要想和MCU、DSP等控制器芯片接口就必須利用可編程門陣列(如FPGA）設(shè)計一個DDR SDRAM控制器。但由于它在時鐘的上升沿和下降沿均能讀取數(shù)據(jù)，這就使得DDR SDRAM控制器較普通的SDRAM控制器更難于設(shè)計。為此，本文給出了一種通用DDR SDRAM控制器的一般設(shè)計方法，并利用數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)解決了DDR SDRAM特有的讀寫方式難于控制的問題。
1  DDR SDRAM的基本操作和命令
    掌握DDR SDRAM（以下簡稱DDR）的操作是成功設(shè)計一個DDR SDRAM控制器的前提條件。下面是一般的DDR所具備的操作。
　　DDR支持的常用命令有：空操作(Nop)、激活操作(Active)、突發(fā)讀(Burst Read)、突發(fā)寫（Burst Write）、自動刷新（Autorefresh）、預(yù)充電（Precharge）、模式寄存器配置（Mode Register Set)等。所有的操作命令都通過信號線RAS_N、CAS_N、WE_N共同控制。其基本操作命令如表1所示。

　　在進行讀、寫操作之前必須激活DDR存儲體。一旦一個存儲體被激活，它就必須在此存儲體的下一個激活命令發(fā)出之前進行預(yù)充電。當(dāng)對一個存儲體讀或?qū)懺L問后，如果下一次要訪問的行和當(dāng)前訪問的行不是同一行，則需要結(jié)束當(dāng)前的存儲體并重新打開它。預(yù)充電就是用來結(jié)束已激活的存儲體的。
　　訪問DDR的基本命令是讀和寫操作。當(dāng)讀命令發(fā)出時，地址總線上出現(xiàn)的就是要讀的起始地址，1～3個時鐘周期后要讀的數(shù)據(jù)將會出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上；當(dāng)寫命令發(fā)出時，起始地址和數(shù)據(jù)就分別出現(xiàn)在地址總線和數(shù)據(jù)總線上。在做讀操作時，數(shù)據(jù)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上的周期數(shù)是由CAS延遲（CAS Latency，CL）決定的。CL依賴于DDR的速度和存儲器時鐘的頻率。一般而言，時鐘頻率越快CL就越大。在BR或者BW命令初始化后，就會進行突發(fā)讀或突發(fā)寫，直到完成當(dāng)前的突發(fā)長度(Burst length，BL)或突發(fā)結(jié)束(Burst Terminate，BT)命令發(fā)出才結(jié)束該操作。DDR存儲器支持突發(fā)的長度為2、4或8個數(shù)據(jù)周期。
　　由于DDR是利用電容存儲電荷的原理來保存信息的，而電容會逐漸放電。因此為了保證每個存儲單元數(shù)據(jù)的正確性，DDR SDRAM控制器必須周期性地發(fā)出自動刷新命令，用戶無需干預(yù)。在自動刷新命令發(fā)出之前，所有存儲體都必須經(jīng)過預(yù)充電并已經(jīng)處于空閑狀態(tài)。一旦刷新開始，由于內(nèi)部有地址計數(shù)器，所以不需要外部地址的控制。
　　DDR中有模式寄存器，它的各種操作模式是：CAS延遲、地址模式、突發(fā)長度、突發(fā)類型、測試模式等。通過模式寄存器配置（MRS）命令將值寫入到模式寄存器中。
2 DDR SDRAM 控制器的設(shè)計
2.1 DDR SDRAM控制器簡介
　　本文討論的DDR SDRAM控制器（簡稱DDR控制器）一方與MCU等控制器接口，另一方與DDR接口。同MCU等控制器的接口主要有地址總線（ADDR）、數(shù)據(jù)總線（DATA）、3位的命令總線（CMD[2：0]）以及命令回答（CMDACK）等。地址總線和數(shù)據(jù)總線的位數(shù)取決于DDR的總線位數(shù)。DDR控制器接收從MCU發(fā)來的命令及數(shù)據(jù)，對命令進行譯碼，并向DDR發(fā)出相應(yīng)的操作及數(shù)據(jù)。與DDR接口的一方主要是RAS_N、CAS_N、WE_N等控制信號線以及數(shù)據(jù)總線DDRDATA、地址總線DDRADDR等。整個DDR控制器由3個模塊構(gòu)成：控制接口模塊、命令模塊和數(shù)據(jù)通路模塊。控制接口模塊接收從MCU來的命令和相關(guān)存儲器地址，對命令進行譯碼并將請求發(fā)送給命令模塊；命令模塊接收從控制接口模塊譯碼后的命令和地址，產(chǎn)生相應(yīng)的命令給DDR；數(shù)據(jù)通路模塊在讀命令READA和寫命令WRITEA期間處理數(shù)據(jù)交換。DDR控制器總框圖如圖1所示。

2.2 DDR控制器的命令
　　DDR控制器共完成8種操作：NOP、READA、WRITEA、REFRESH、PRECHARGE、LOAD_MODE、LOAD_REG1、LOAD_REG2，其控制命令如表2所示。

　　這8種操作都是由MCU在命令總線CMD[2：0]上向DDR控制器發(fā)出的，DDR控制器在接收到諸如READA、WRITEA、REFRESH、PRECHARGE、LOAD_MODE等命令時將會向MCU發(fā)回答命令CMDACK。當(dāng)MCU收到CMDACK命令后會在1個時鐘周期后向DDR控制器發(fā)NOP命令。DDR控制器在發(fā)CMDACK命令的同時也會向DDR發(fā)相應(yīng)的操作，也就是將DDR的RAS_N、CAS_N、WE_N置成相應(yīng)的高位或低位。如果命令是READA或WRITEA，則需要重新從數(shù)據(jù)總線上讀出數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù)。各命令的功能如下。 (1)NOP空操作命令。在MCU接收到CMDACK命令后，MCU就會在一個時鐘周期后向DDR控制器發(fā)出NOP命令。
　　(2)READA命令是帶有預(yù)充電的突發(fā)讀操作。MCU向DDR控制器發(fā)出READA命令的同時在地址總線ADDR上發(fā)出要讀的地址；DDR控制器接收到后將向DDR發(fā)出激活(Active)命令，并向MCU發(fā)出CMDACK命令；幾個時鐘周期后，要讀的DDR中的突發(fā)數(shù)據(jù)會由DDR控制器通過數(shù)據(jù)總線傳送給MCU。
　　(3)WRITEA命令是帶有預(yù)充電的突發(fā)寫操作。其過程和READA的過程類似，也是在DDR控制器接收到MCU發(fā)出的WRITEA命令期間，在地址總線ADDR上接收要寫入的地址，然后DDR控制器向DDR發(fā)出激活(Active)命令，并向MCU發(fā)出CMDACK命令。只是在WRITEA命令有效期間，要寫入DDR的第一個突發(fā)數(shù)據(jù)就已經(jīng)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上了。
　  (4)REFRESH命令是DDR控制器指示DDR完成自動刷新的命令。
　　(5)PRECHARGE命令是控制器指示DDR完成存儲體預(yù)充電的命令。
　　(6)LOAD_MODE是用來配置DDR中的模式寄存器的，其值就是在MCU向DDR控制器發(fā)出LOAD_
MODE命令的同時在ADDR總線上傳送的數(shù)值。當(dāng)DDR控制器向DDR發(fā)出模式寄存器配置（MRS）命令時，ADDR總線上的值就會直接映射到DDR的地址總線上。
　　(7)LOAD_REG1和LOAD_REG2是配置DDR控制器內(nèi)部2個寄存器的命令。
2.3 DDR控制器的內(nèi)部寄存器
　　DDR控制器內(nèi)部有2個16位的配置寄存器：REG1和REG2，其值分別由命令LOAD_REG1和LOAD_REG2命令寫入。
REG1中包含了CAS延遲CL(REG1[1：0]）、RAS到CAS延遲的時鐘數(shù)RC（REG[3：2]）、REFERSH命令持續(xù)時間的時鐘數(shù)RRD（REG1[7：4]）及突發(fā)長度BL（REG1[12：9]）。
　　REG2是一個16位的寄存器，存儲的是DDR控制器向DDR發(fā)出刷新命令的間隔時間。
2.4 各功能模塊設(shè)計
2.4.1 控制接口模塊
　　控制接口模塊包含1個命令譯碼器和1個16位的刷新減計數(shù)器及相應(yīng)的控制電路。命令譯碼器譯碼并寄存從MCU來的命令，將譯碼后的NOP、WRITEA、READA、REFRESH、PRECHARGE和LOAD_MODE等命令及相應(yīng)的地址轉(zhuǎn)送給命令模塊。減計數(shù)器和相應(yīng)的控制電路用來產(chǎn)生刷新命令給命令模塊，其值就是由LOAD_REG2命令寫入到REG2中的值。當(dāng)計數(shù)器減到0時，控制接口模塊就向命令模塊發(fā)REFRESH_REQ并一直保持到命令模塊發(fā)REFRESH_ACK來響應(yīng)該請求。一旦控制接口模塊接收到REFRESH_ACK，減計數(shù)器就會重新寫入REG2中的值。
2.4.2 命令模塊
　　命令模塊由1個簡單的仲裁器、命令發(fā)生器及命令時序器組成。它接收從控制接口模塊來的譯碼后的命令，接收刷新控制邏輯發(fā)來的刷新請求命令并產(chǎn)生正確的命令給DDR。仲裁器在控制接口發(fā)來的命令（也就是MCU通過控制接口譯碼后的命令）和刷新控制邏輯發(fā)來的刷新請求命令之間進行仲裁。刷新請求命令的優(yōu)先級高于控制接口來的命令。如果控制接口來的命令和刷新請求命令同時到達，或者同在一個刷新操作期間，則仲裁器就會拖延向MCU發(fā)CMDACK命令的時間直到刷新操作完成。如果刷新命令正在進行操作期間發(fā)出，則要一直等待到操作全部完成。
　　在仲裁器收到MCU發(fā)來的命令后，該命令就傳送到命令發(fā)生器，命令時序器即用3個移位寄存器產(chǎn)生正確的命令時序后發(fā)給DDR。1個移位寄存器用來控制激活命令時序，1個用來控制READA和WRITEA命令，1個用來計時操作命令的持續(xù)時間，為仲裁器確定最后的請求操作是否完成。
2.4.3 數(shù)據(jù)通路模塊
　　數(shù)據(jù)通路模塊提供了DDR到MCU的數(shù)據(jù)通路。MCU從DDR設(shè)備讀出的數(shù)據(jù)和MCU向DDR設(shè)備寫入的數(shù)據(jù)都要經(jīng)過數(shù)據(jù)通路模塊。在MCU向DDR控制器發(fā)WRITEA命令時，數(shù)據(jù)總線DATA上要寫入DDR的數(shù)據(jù)；在MCU向DDR控制器發(fā)READA命令時，數(shù)據(jù)總線DATA則從DDR讀出數(shù)據(jù)。
　　數(shù)據(jù)通路模塊在和DDR接口的一方完成了2個轉(zhuǎn)換：一是將DDR過來的數(shù)據(jù)總線寬度翻倍，二是將DDR在時鐘上、下沿送出的數(shù)據(jù)用200MHz的時鐘頻率接收。數(shù)據(jù)通路模塊在和MCU接口的一方也相應(yīng)地做了2個轉(zhuǎn)換：一是將MCU過來的數(shù)據(jù)寬度減半送給DDR，二是將MCU工作在100MHz頻率下的數(shù)據(jù)以200MHz的頻率送給DDR。
　　DDR送來的數(shù)據(jù)是在100MHz的時鐘頻率的上升和下降沿被讀出的，而到了數(shù)據(jù)通路模塊則將時鐘頻率倍頻到200MHz，因此只需在時鐘的上升沿讀出數(shù)據(jù)即可。其中的時鐘倍頻可采用數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)將輸入時鐘升頻。某些FPGA內(nèi)部包含了鎖相環(huán)電路（如Altera公司的FLEX10KA系列的FPGA），可以直接調(diào)用。
2.5 初始化過程
　　在MCU與DDR之間通信必須通過DDR控制器對DDR進行初始化：置DDR的突發(fā)長度、CL、突發(fā)類型以及操作模式等。在初始化完DDR后，MCU也必須對DDR控制器的2個內(nèi)部寄存器進行設(shè)置，由MCU發(fā)LOAD_REG2和LOAD_REG1命令分別完成。整個DDR和DDR控制器的初始化過程為：(1)完成預(yù)充電PRECHARGE命令。(2)發(fā)LOAD_MODE命令。(3)發(fā)LOAD_REG2命令。(4)發(fā)LOAD_
　　REG1命令。
3  結(jié)束語
　　本文給出的通用DDR控制器的設(shè)計方法，可以很好地解決DDR在時鐘上升和下降沿都能讀取數(shù)據(jù)而不好控制的問題，而且可以直接利用FPGA內(nèi)部提供的數(shù)字鎖相環(huán)電路，避免了在設(shè)計中增加復(fù)雜的模擬電路。此外，開發(fā)者還可以根據(jù)自己的實際需要對該設(shè)計方法進行修改，以形成自己專用的DDR控制器。
參考文獻
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