S3C2410 内存连接方法的深入研究

我想，很多的朋友包括一些刚入门，或者是刚从事嵌入式开发的工程师，都会对内存这一块不知所措吧，先抛开信号完整性不说，单从内存的原理以及与主芯片的连接，就已经大伤脑筋了，而很多朋友虽然已经开发出了可以使用的硬件电路板，但大多数的人都是因为有了开发板的参考而所以成功。那如果现在没有了开发板，或者设计要求与你开发板的内存容易配置不一样，那你应该如何下手呢？今天我将把自己根据2410的芯片手册以及内存的芯片手册而完成器件的原理与分析方法，分享给大家，希望如果有不对的地方可以提出，本例中将以S3C2410为主芯片，8Mbyte内存为设计方案，（注：本设计我已认证）

S3C2410，其“存储控制器”提供了访问外围设备所需的信号，它有如下特性：
●支持小字节、大字节序（通过软件选择）；
●每个bank的地址空间为128MB，总共1GB（8banks）；
●可编程控制的总线位宽（8/16/32-bit），不过bank0只能选择两种位宽（16/32-bit）；
●总共8个bank，bank0~bank5可以支持外接ROM、SRAM等，bank6~bank7除可以支持ROM、SRAM外还支持SDRAM等；
●bank0~bank6共7个bank的起始地址是固定的；
●bank7的起始地址可编程选择；
●bank6、bank7的地址空间大小是可编程控制的；
●每个bank的访问周期均可编程控制；
●可以通过外部的“wait”信号延长总线的访问周期；
●在外接SDRAM时，支持自刷新和省电模式；
对于本系统而言，无论出于成本或是RAM占用的面积而言使用SRAM都是不划算的。SRAM一般用于小系统中，SRAM常用于快速存储的较低容量的RAM需求，比如Cache(缓存）。另外本系统需只要带动linux内核，和一些数据库的存取，需要占用内存不是很大，如果用SRAM的话不仅面积占用很大，将近4倍于SDRAM。而且价格将近于SDRAM的8倍左右，显然是不合理的。SDRAM具有高速、大容量等优点，是一种具有同步接口的高速动态随机存储器。它的同步接口和内部流水线结构允许存储外部高速数据，数据传输速度可以和ARM的时钟频率同步，在ARM系统中主要用作程序的运行空间、数据及堆栈区。从成本上考虑，它SRAM便宜很多，根据设计的性价比，可采用SDRAM作为高速缓存，实现高速数据传输。
本系统中用SDRAM时有一个重要的因素需要仔细考虑，然后选择SDRAM的大小。一般来说，移植到开发板上的linux内核是一个镜像文件，本系统的镜像文件不超过1.5M，在运行内核的时候将此镜像文件复制到内存并解压，解压后大小后超过2M，假如把数据段等都考虑进去，那么运行内核需要占用内存3M多，这里保守估计到4M，而一般的代码都在100K以加，加上数据库的内容，不会超过10M，所以选用16M内存比较划算。
根据上面CPU的特性说明，得知在bank6和bank7上可以连接SDRAM，每个bank最大可以连接128M，另外可以连接16M或更小。对于16M来说，可以满足系统内存占用的要求，32M以上虽然性能会更好，但是由于内存有大量的存储空间不被使用，所以从成本上考虑，会不划算。
在设计的时候还需要考虑位宽的问题，对于本系统使用的CPU核为ARM9，总线位宽最大为32bit，这里选择最大的总线位宽来保证总线每次数据传输率最大。SDRAM的最高位宽为16bit，因此如果要达到总线位宽32bit的话，可以用两片16bit位宽的SDRAM并联得到。那么此时每片SDRAM的大小可以为4banks*1M*16bit。
根据上面的分析，这里选用SDRAM芯片型号为HY57V641620ESTP-H。该系列的SDRAM是67,108,864位CMOS同步DRAM，适用于大存储和高带宽的存储器的选择。该芯片的内部存储结构是4banks×1M×16bits，HY57V641620ESTP-H系列是完全同步操作提供参照的时钟上升沿。 所有输入和输出 是同步的时钟输入的上升沿。数据路径内部管线 ， 实现非常高的带宽。所有输入和输出电压电平兼容LVTTL接口。其特征是：
●3.3 ± 0.3V单电源；
●所有器件引脚兼容LVTTL接口；
●所有的输入和输出参照系统时钟的上升沿；
●自动刷新和自刷新，每64ms自刷新一遍；
●可编程CAS延迟，2，3个时钟
该SDRAM系列根据不同的最高频率，提供了几种型号选择，本系统选用最高频率为133MHZ的HY57V641620ESTP-H型号。SDRAM的频率由锁相环MPLL经过分频所得到的HCLK总线频率提供SDRAM的时钟频率，这里选择100MHZ主要为了分频方便而选择。
该芯片具有54个引脚，封装为TSOP，其引脚描述如下：
CLK：时钟引脚，用于系统时钟的输入，所有的输入在系统时钟的上升沿向SDRAM注册。
CKE：时钟使能引脚，控制内部的时钟信号。
/CS：片选引脚，使能或禁止所有除CLK、CKE、UDQM、LDQM的输入。
BA0、BA1：bank地址引脚。
A0~A12：地址线引脚，行地址：RA0 RA12，列地址：CA0 CA8。
/RAS、/CAS、/WE：行地址选通，列地址选通，写使能引脚。
UDQM、LDQM：数据输入输出屏蔽引脚。
DQ0~DQ15：数据输入输出引脚。
VDD/VSS：电源/接地引脚，为内部电路和输入缓冲供电。
VDDQ/VSSQ：数据输出电源/地引脚，为输出缓冲供电。
NC：未连接。
电气性能如表1表示：

表1：DC下的电气性能
从规格书中可以看到其输入的电源电压典型值为3.3V，和CPU输出电压一致。输入的高电平电压最小为2.0V，符合CMOS中高电平输出电压最小为3.3-0.05V。输入的低电平电压最大为0.8V，符合CMOS中低电平输出电压最大为0.05V。
本系统通过8根片选信号的配置将SDRAM连接在BANK6上，根据S3C2440手册描述该BANK6的起始地址为0x30000000，本系统配置的SDRAM访问空间为16M大小，那么结束地址为0x30ffffff。BANK6连接SDRAM比较复杂，CPU提供了一组用于SDRAM的信号：

说明如下：
●SDRAM时钟有效信号SCKE；
●SDRAM时钟信号SCLK0/SCLK1；
●数据掩码信号DQM0/DQM1/DQM2/DQM3；
●SDRAM片选信号nSCS0（它与nGCS6是同一引脚的两个功能）；
●SDRAM行地址选通脉冲信号nSRAS;
●SDRAM列脉冲信号nSCAS;
●写允许信号nWE（它不是专用于SDRAM的）。
地址线和数据线的连接：
地址线的连接相对来说比较复杂，需要对SDRAM芯片的规格书仔细和S3C2440手册对存储控制器的描述很好的理解。这里首先对本系统中所用的SDRAM芯片的内部结构进行阐述。SDRAM芯片选用的是HY57V641620ESTP-H型号，内部具有4个bank，每个bank是1M，每个存储单元为16位数据。其内部结构如图1-2-1所示：
从其内部结构我们也可以看出，该芯片对外提供了14根地址总线。其中BA0和BA1用于选择片选4个bank。每个bank的1M大小的存储空间则由A0~A11控制。每个bank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。和表格的检索原理一样，先指定一个行（row），再指定一个列（column），就可以准确地找到所需要的单元格，这也是SDRAM的寻址原理。对于该bank，其内部的每个存储单元，如同上面所说的分别由行和列地址总线来控制。在该芯片的规格书的引脚说明中，如表1-2-2所示，行使用RA0~RA11共12根地址线，列使用RA0~RA7共8根数据线。而这样的行列方式组成了一个BANK的1M寻址空间（2^12*2^8=2^20，为1M空间）。而每一个空间中存的数据长度为16bit。

图1：HY57V641620ESTP-H内部结构

表1-2-2：内存引脚功能表
对于具体的地址线和数据线的连接需要根据手册来正确连接。根据S3C2410手册，可得到双SDRAM的连接方法，具体如表3和表4所示：

表3：不同数据位宽度地址线连接方法

表4：16MB内存连接方法

本系统选择的bank大小配置为16M，总线带宽为32bit，芯片的bank数量为4块，对应表中存储配置的（1M*16*4BANKS）*2ea，根据表中的bank address是连接到A23、A22。该bank address是用了两个地址总线来选择4个bank，对应芯片引脚中的BA0和BA1。因此，根据上面所说，A22连接两片芯片的BA0引脚，A23连接两片芯片的BA1引脚。
其余信号引脚的连接：
nSCS为SDRAM芯片的片选信号，而在S3C2440该CPU中提供了片选信号nSCS0，该引脚和nGCS6是同一个引脚的两个功能。当该信号有效时，选中SDRAM芯片。
SCKE、SCLK0、SCLK1 3个引脚分别是两片RAM芯片的时钟有效信号和两个时钟信号。在CPU端，也相应提供对应的3个引脚，依次相连即可。SCLK0代表的是低16位芯片的时钟引脚，SCLK1代表的是高16位芯片的时钟引脚。
nWE芯片引脚为写使能信号，在CPU端引脚提供了一个不是专用于SDRAM的写允许信号引脚nWE，将此引脚分别用于芯片的写使能，同时控制两片芯片的写使能与否。LDQM、UDQM 两个SDRAM芯片引脚分别为写使能和数据掩码信号引脚，用于在读模式下控制输出缓冲，在写模式下屏蔽输入数据。前面所讲的CPU所提供给SDRAM信号中有4个数据掩码信号DQM0/ DQM1/ DQM2/ DQM3，将低16位芯片的LDQM、UDQM引脚和DQM0、DQM1相连，将高16位芯片的LDQM、UDQM引脚和DQM2、DQM3相连。
芯片手册上关于电源部分描述如下

根据上表，VDD和VDDQ电源信号需要连接3.3V，引脚说明中VSS和VSSQ信号需要接地。
根据上面所述，电路图连接如图2所示：