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[导读]SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory,同步动态随机存储器)也就是通常所说的内存。内存的工作原理、控制时序、及相关控制器的配置方法一直是嵌入式系统学习、开发过程中的一个难点。我们从其硬件的角度

SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory,同步动态随机存储器)也就是通常所说的内存。内存的工作原理、控制时序、及相关控制器的配置方法一直是嵌入式系统学习、开发过程中的一个难点。我们从其硬件的角度来分析其原理,然后再引出SDRAM的驱动编写过程。

内存是代码的执行空间,以PC机为例,程序是以文件的形式保存在硬盘里面的,程序在运行之前先由操作系统装载入内存中,由于内存是RAM(随机访问存储器),可以通过地址去定位一个字节的数据,CPU在执行程序时将PC的值设置为程序在内存中的开始地址,CPU会依次的从内存里取址,译码,执行,在内存没有被初始化之前,内存好比是未建好的房子,是不能读取和存储数据的,因此我们要想让MTOS运行在内存里必须进行内存的初始化。

通用存储设备:

在介绍内存工作原理之前有必要了解下存储设备的存储方式:ROM,RAM

lROM(Read-Only Memory):只读存储器,是一种只能读出事先所存数据的固态半导体存储器。其特性是一旦储存资料就无法再将之改变或删除。通常用在不需经常变更资料的电子或电脑系统中,资料并且不会因为电源关闭而消失。如:PC里面的BIOS。

lRAM(Random Access Memory):随机访问存储器,存储单元的内容可按需随意取出或存入,且存取的速度与存储单元的位置无关的存储器。可以理解为,当你给定一个随机有效的访问地址,RAM会返回其存储内容(随机寻址),它访问速度与地址的无关。这种存储器在断电时将丢失其存储内容,故主要用于存储短时间内随机访问使用的程序。计算机系统里内存地址是一个四字节对齐的地址(32位机),CPU的取指,执行,存储都是通过地址进行的,因此它可以用来做内存。

RAM按照硬件设计的不同,随机存储器又分为DRAM(Dynamic RAM)动态随机存储器和SRAM(Static RAM)静态随机存储器。

lDRAM:它的基本原件是小电容,电容可以在两个极板上短时间内保留电荷,可以通过两极之间有无电压差代表计算机里的0和1,由于电容的物理特性,要定期的为其充电,否则数据会丢失。对电容的充电过程叫做刷新,但是制作工艺较简单,体积小,便于集成化,经常做为计算机里内存制作原件。比如:PC的内存,SDRAM, DDR, DDR2, DDR3等,缺点:由于要定期刷新存储介质,存取速度较慢。

lSRAM:它是一种具有静止存取功能的内存,不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。因此其存取速度快,但是体积较大,功耗大,成本高,常用作存储容量不高,但存取速度快的场合,比如CPU的L1 cache,L2cache(一级,二级缓存),寄存器。

为了满足开发的需要MINI2440在出厂时搭载了三种存储介质:

(1)NOR FLASH(2M):ROM存储器,通常用来保存BootLoader,引导系统启动

(2)NAND FLASH(256M,型号不一样,Nandflash大小不一样):保存操作系统映像文件和文件系统

(3)SDRAM(64M):内存,执行程序

lNORFLASH:它的特点是支持XIP芯片内执行(eXecute In Place),这样应用程序可以直接在Flash闪存内运行,不必再把代码读到系统RAM中,也就是说可以随机寻址。NOR FLASH的成本较高。

lNAND FLASH:它能提供极高的单元密度,可以达到高存储密度,并且写入和擦除的速度也很快。其成本较低,不支持XIP。可做嵌入式里的数据存储介质。如:手机存储卡,SD卡等。

1.1.1S3C2440存储器地址段(Bank)

S3C2440对外引出了27根地址线ADDR0~ADDR26,它最多能够寻址128MB,而S3C2440的寻址空间可以达到1GB,这是由于S3C2440将1GB的地址空间分成了8个BANKS(Bank0~Bank7),其中每一个BANK对应一根片选信号线nGCS0~nGCS7,当访问BANKx的时候,nGCSx管脚电平拉低,用来选中外接设备,S3C2440通过8根选信号线和27根地址线,就可以访问1GB。如图2-48所示。

图2-48 S3C2440存储器BANK

如图所示,左侧图对应不使用Nandflash启动时(通过跳线设置),存储器Bank分布图,通常在这种启动方式里选择Norflash启动,将Norflash焊接在Bank0,系统上电后,CPU从Bank0的开始地址0x00000000开始取指运行。

上图右侧是选择从Nandflash引导启动(通过跳线设置),系统上电后,CPU会自动将Nandflash里前4K的数据复制到S3C2440内部一个4K大小SRAM类型存储器里(叫做Steppingstone),然后从Steppingstone取指启动。

其中Bank0~Bank5可以焊接ROM或SRAM类型存储器,Bank6~Bank7可以焊接ROM,SRAM,SDRAM类型存储器,也就是说,S3C2440的SDRAM内存应该焊接在Bank6~Bank7上,最大支持内存256M,Bank0~Bank5通常焊接一些用于引导系统启动小容量ROM,具体焊接什么样存储器,多大容量,根据每个开发板生产商不同而不同,比如MINI2440开发板将2M的Norflash焊接在了Bank0上,用于存放系统引导程序Bootloader,将两片32M,16Bit位宽SDRAM内存焊接在Bank6和Bank7上,并联形成64M,32位内存。

由于S3C2440是32位芯片,理论上讲可以达到4GB的寻址范围,除去上述8个BANK用于连接外部设备,还有一部分的地址空间是用于设备特殊功能寄存器,其余地址没有被使用。

表2-14 S3C2440设备寄存器地址空间

外接设备

起始地址

结束地址

存储控制器

0x48000000

0x48000030

USB Host控制器

0x49000000

0x49000058

中断控制器

0x4A000000

0x4A00001C

DMA

0x4B000000

0x4B0000E0

时钟和电源管理

0x4C000000

0x4C000014

LCD控制器

0x4D000000

0x4D000060

NAND FLASH控制器

0x4E000000

0x4E000014

摄像头接口

0x4F000000

0x4F0000A0

UART

0x50000000

0x50008028

脉宽调制计时器

0x51000000

0x51000040

USB设备

0x52000140

0x5200026F

WATCHDOG计时器

0x53000000

0x53000008

IIC控制器

0x54000000

0x5400000C

IIS控制器

0x55000000

0x55000012

I/O端口

0x56000000

0x560000B0

实时时钟RTC

0x57000040

0x5700008B

A/D转换器

0x58000000

0x58000010

SPI

0x59000000

0x59000034

SD接口

0x5A000000

0x5A000040

AC97音频编码接口

0x5B000000

0x5B00001C

1.1.2SDRAM内存工作原理

SDRAM的内部是一个存储阵列。阵列就如同表格一样,将数据“填”进去。在数据读写时和表格的检索原理一样,先指定一个行(Row),再指定一个列(Column),我们就可以准确地找到所需要的单元格,这就是内存芯片寻址的基本原理,如图2-49所示。

图2-49内存行,列地址寻址示意图

这个单元格(存储阵列)就叫逻辑Bank(Logical Bank,下文简称L-Bank)。由于技术、成本等原因,不可能只做一个全容量的L-Bank,而且最重要的是,由于SDRAM的工作原理限制,单一的L-Ban k将会造成非常严重的寻址冲突,大幅降低内存效率。所以人们在SDRAM内部分割成多个L-Bank,目前基本都是4个(这也是SDRAM规范中的最高L-Bank数量),由此可见,在进行寻址时就要先确定是哪个L-Bank,然后在这个选定的L-Bank中选择相应的行与列进行寻址。因此对内存的访问,一次只能是一个L-Bank工作。如图2-50:

图2-50内存存储单元

当对内存进行操作时(见下图),先要确定操作L-Bank,因此要对L-Bank进行选择。在内存芯片的外部管脚上多出了两个管脚BA0, BA1,用来片选4个L-Bank。如前所述,32位的地址长度由于其存储结构特点,分成了行地址和列地址。通过下面的内存结构图可知,内存外接管脚地址线只有13根地址线A0~A12,它最多只能寻址8M内存空间,到底使用什么机制来实现对64M内存空间进行寻址的呢?SDRAM的行地址线和列地址线是分时复用的,即地址要分两次送出,先送出行地址(nSRAS行有效操作),再送出列地址(nSCAS列有效操作)。这样,可以大幅度减少地址线的数目,提高器件的性能和制作工艺复杂度。但寻址过程也会因此而变得复杂。实际上,现在的SDRAM一般都以L-Bank为基本寻址对象的。由L-Bank地址线BAn控制L-Bank间的选择,行地址线和列地址线贯穿连接所有的L-Bank,每个L-Bank的数据的宽度和整个存储器的宽度相同,这样,可以加快数据的存储速度。同时,BAn还可以使未被选中的L-Bank工作于低功耗的模式下,从而降低器件的功耗。

图2-51 HY57561620内部结构图

开发板内存控制器管脚接线(以MINI2440开发板为例):

(1)确定BA0、BA1的接线

表2-15 BA0、BA1接线

Bank Size:外接内存容量大小(HY57561620是4Mbit*16bit*4Bank*2Chips/8=64MB)

Bus Width:总线宽度 (两片16位HY57561620,并联成32位)
Base Component:单个芯片容量(bit)(256Mb)
Memory Configration:内存配置((4M*16*4banks)*2Chips )

由硬件手册Bank Address管脚连接配置表可知,使用A[25:24]两根地址线作为Bank片选信号,正好两根接线可以片选每个存储单元的4个BANKS。

(2)确定其它接线

SDRAM内存是焊接在BANK6~BANK7上的,其焊接管脚,如图2-52:

图2-52 S3C2440 16位宽内存芯片

上图是S3C2440提供的两片16位芯片并联连接示意图,An是CPU地址总线,其中A2~A14为内存芯片寻址总线,之所以地址寻址总线从A2开始是因为内存地址都是按字节对齐的,,A24,A25为L-Bank片选信号,Dn为CPU数据总线,其它为对应控制信号线。

表2-16内存芯片各管脚说明

外接管脚名

内接管脚名

全称

描述

A2~A14

A0~A12

Address

地址线

D0 ~D31

DQ0~

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