多路读写SDRAM接口设计

存储器是容量数据处理电路的重要组成部分。随着数据处理技术的进一步发展，对于存储器的容量和性能提出了越来越高的要求。同步动态随机存储器SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)因其容量大、读写速度快、支持突发式读写及相对低廉的价格而得到了广泛的应用。SDRAM的控制比较复杂，其接口电路设计是关键。

　　本文首先介绍SDRAM的主要控制信号和基本命令;然后介绍接口电路对SDRAM的主要操作路径及操作过程，应用于解复用的SDRAM接口电路的设计方法;最后给出了实现结果。

　　1 SDRAM的主要控制信号和基本命令

　　SDRAM的主要控制信号为：

　　·CS：片选使能信号，低电平有效;

　　·RAS：行地址选通信号，低电平有效;

　　·CAS：列地址选通信号，低电平有效;

　　·WE：写使能信号，低电平有效。

　　SDRAM的基本命令及主要控制信号见表1。

　　表1 SDRAM基本操作及控制信号

命    令    名    称 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
读操作（READ：Select bank and column,and start READ burst） L H L H
写操作（WRITE：Select bank and column,and start WRITE burst） L H L L
突发操作停止（BTR：Burst terminate） L H H L
预充电（PRE：Deactive row in bank or banks） L L H L
自动刷新或自我刷新（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

　　所有的操作控制信号、输入输出数据都与外部时钟同步。

　　2 接口电路对SDRAM的主要操作路径及操作过程

　　一个完备的SDRAM接口很复杂。由于本文的SDRAM接口应用于解复用，处理的事件相对来说比较简单，因而可以简化设计而不影响性能。接口电路SDRAM的主要操作可以分为：初始化操作、读操作、写操作、自动刷新操作。

　　(1)初始化操作

　　SDRAM上电一段时间后，经过初始化操作才可以进入正常工作过程。初始化主要完成预充电、自动刷新模式寄存器的配置。操作过程如图1所示。

　　(2)读写操作

　　读写操作主要完成与SDRAM的数据交换。读操作过程如图2所示，写操作过程如图3所示。

　　(3)刷新操作

　　动态存储器(Dynamic RAM)都存在刷新问题。这里主要采用自动刷新方式，每隔一段时间向SDRAM发一条刷新命令。刷新过程如图4所示。

　  
 　　3 接口电路的设计

　　(1)解复用电路

　　本解复用电路主要完成将1路高速数据流解复用为4路数据流，其结构框图如图5所示。1路数据流进入解复用器后，经过SDRAM缓冲，解复用为4路数据流。

　　由于要解复用为4路数据流，为了充分利用时隙，满足高速的要求，采用4个bank的SDRAM，各路数据缓冲对应不同的bank。为简化设计，数据流1的缓冲区定为bank0，数据流2的缓冲区定为bank1，数据流3的缓冲区定为bank2数据流4的缓冲区定为bank3。对于每路数据实际上是以高速率集中写入，然后以低速率均匀读出。

　　由于进行的是解复用，因此写入的数据只有1路，但是有可能4路数据同时都要读出。所以对于4路数据流，其读写地址和读写使能信号是分开的。

　　(2)SDRAM接口电路的时序控制

　　高速数据流的速率为3M字节/秒，采用的系统时钟为20倍的字节时钟。送入SDRAM的时钟为60MHz系统时钟。在一个字节时钟内对SDRAM的操作最多有5次(1次读，4次写)，而且为了满足刷新的要求，每个字节时钟进行一次刷新操作。根据SDRAM的时序要求，这样的操作是难以实现的。因而要通过多bank操作，尽量做到时分复用来实现。图6给出了在一个字节时钟周期的内数据流1进行读写操作，其它3路数据进行读操作的命令排序时序图。可以看出通过多bank操作，时分复用，在20个系统时钟节拍内所需的读写操作命令刚好很紧凑地排开。

 　　一个字节时钟内对SDRAM读写操作是随机的，这与数据流的复用比例有在。为了满足时序，根据上面的说明，需要把一个字节时钟周期内对SDRAM的命令合理排序，然后按照排好的顺序执行命令。这样就需要把一个字节时钟周期内对SDRAM的操作进行缓存，然后在下一个字节时钟周期内进行排序、与SDRAM命令相对应、将命令译码产生相应的控制信号线，完成操作。缓存排序过程如图7所示。

　　(3)SDRAM接口电路

　　SDRAM接口电路中需要专门操作缓冲区存储一个字节时钟周期内的操作，以备下一字节时钟的排序。为了方便处理，对每路数据的缓冲操作内容(或读或写)放在一个缓冲区。由于数据流的连续性，排序的同时仍然会有操作要求，因此每路的操作内容缓冲区分为两块。对一块缓冲区写入时，读出另一块缓冲区中的操作内容，进行排序、译码、执行。根据字节时钟切换对缓冲区的读写，从而避免冲突。对于从SDRAM读出的数据，每路数据写入相应的读出数据缓冲区。同样每路的读出数据缓冲区也分为两块，根据字节时钟切换读写。

　　由于一个字节时钟周期内，每路所需的操作最多有2次，每路的操作内容缓冲区只需两个单元(每个单元存储了此次的读写使能信号、写入数据、地址)即可。对于读出数据缓冲区，由于一个字节时钟每路数据最多执行一次读操作，所以读出数据缓冲区只需要一个字节。这两类缓冲区容量都小，因此人部用寄存器来实现，控制简单。

　　整个接口电路的结构框图如图8所示。

　　4 SDRAM接口的实现结果

　　针对MT48LC8M8A2的SDRAM，采用同步设计方法，用Verilog HDL硬件描述语言建立模型，接口电路已经调试通过，规模为2100门(NAND)。整个解复用电路也已经调试通过。