陈瑞斌1，唐惠玲1，徐虎2，李敏1，彭云建3，侯红兵4
（1.广东工业大学，广东广州510006；2.广州航海学院，广东广州510725；
3.华南理工大学自动化科学与工程学院，广东广州510640；
4.惠州市仲恺高新技术投资控股有限公司，广东惠州516006）
摘要：深入探讨SDRAM的工作原理和工作时序，通过SDRAM三种常用寻址方式的对比，设计一种基于FPGA的页快速命中寻址的16位SDRAM控制器。软件仿真、硬件测试及实物调试结果表明：该控制器能极大地缩短寻址时间，并具有良好的实时性、高效性和模块重用性；同时也节省了FPGA的内部资源，缩短了研发周期。
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关键词 ：页快速命中；FPGA；SDRAM控制器；寻址方式
中图分类号：TN919.3?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）13?0063?04
收稿日期：2014?11?14
基金项目：2011年广州市越秀区科技攻关项目（2011?GX?025）；2011年广东省现代信息服务业发展专项资金项目资助（GDEID2011IS061）；广东省教育部产学研结合项目（2010B090400204）
0 引言随着现代通信及实时图像处理的发展，大容量、高速度的储存器越来越显得重要。SDRAM即同步动态随机存贮器[1]，由于价格低廉及储存量大的优点，被广泛地应用于高速数据采集、处理的领域。但本身也具备一定缺点，如控制复杂，对时序要求高，无一不对应用推广有着反效果。FPGA即现场可编程门阵列，以并行运算为主，在速度和性能上是MCU无法比拟的。本文针对其复杂的逻辑控制、严格的时序要求，利用页快速命中寻址方式，设计出一种能有效消除行寻址到列寻址之间间隔（tRCD）所带来延迟的通用SDRAM控制器，并利用ALTERA公司的FPGA 芯片EP2C35F484C8N[2] 和三星公司的SDRAM芯片K4S641632K[3]作为硬件平台，对该SDRAM控制器进行了实物调试与验证。
1 SDRAM 的工作方式和时序分析
1.1 SDRAM的内部结构
SDRAM的内部是一个存储阵列。阵列就像一个表格，检索方式与表格一样，首先指定一个行，然后再指定一个列，就能精确地找到指定的单元格，这就是内存芯片寻址的基本原理[4]。对于内存、单元格就是列存储单元，也是SDRAM的基本存储单元，则这个表格就是逻辑Bank（Logical Bank，L_Bank）。相应地，指定行的操作就是行寻址或行有效；指定列的操作是列寻址，列寻址时都伴随着读或写命令，故又称为列读取或列写入操作。
1.2 SDRAM的工作时序分析
SDRAM的效率体现在内存寻址的速度；而SDRAM的基本工作是写入和读取数据，但在执行这些工作时，并不是每一时刻都处于数据传输状态。由于非数据传输时产生了各种延迟与潜伏期，导致SDRAM 的效率没有达到百分之百。以读取操作为例，主要影响SDRAM工作效率的参数[5]有：行有效命令与列读/写命令的间隔（tRCD）；列读取命令发出到第一批数据输出的间隔（tCL）；预充电有效周期（tRP）。
图1 为典型的SDRAM 读取操作时序，通过行有效来打开相应的工作行，之后发送列读取命令在已打开的行中选择某一列进行读取。经过tCL 延迟后，依次读取选中的对应突发长度[6]的列单元数据，最后依靠预充电来关闭工作行。在关闭工作行的同时，其对应行的列单元数据将被锁存起来。
当反复进行读取操作时，从上一次数据读取的结束到本次数据读取的开始，其间历经了预充电、行有效和列读取命令三个执行流程，总耗费时间为：
T = tRCD + tCL + tRP （1）
因此，根据SDRAM的读取时间和寻址方式的不同，SDRAM的寻址方式可分为以下三种方式：
1.2.1 页命中寻址方式[7]
页命中的工作行和L_Bank 是空闲的，也就是说该L_Bank 的所有行是关闭的，此时可直接发送行有效命令。页命中寻址方式的时间为：
T1 = tRCD + tCL （2）
1.2.2 页错失寻址方式[7]
页错失寻址方式即上一次工作行没有关闭，并且本次读取的工作行需要换行。这种现象也称为寻址冲突，需要通过预充电来关闭上一次的工作行，再执行新一行的行有效命令，因此这种寻址方式所用的时间为：
T2 = tRCD + tCL + tRP （3）
1.2.3 页快速命中寻址方式[7]
页快速命中亦称为背靠背（Back To Back）寻址，即要寻址的行正好是前一个操作的工作行，此时可直接发送列读/写命令。这种寻址方式的时间仅为：
T3 = tCL （4）
可见，三种寻址方式中寻址时间最短的是页快速命中寻址方式。为了提高SDRAM 的工作效率，本文设计一种基于FPGA 的页快速命中SDRAM 控制器，使SDRAM的寻址方式始终为页快速命中寻址方式。
2 基于FPGA 的页快速命中SDRAM 控制器的设计
2.1 SDRAM控制器在FPGA上的具体方案
SDRAM 控制器的RTL 层视图如图2 所示，其主要分为3 个模块：锁相环模块（PLL），初始化模块（sdram_Init）和数据读/写模块（sdram_wr_data）。3个模块共同组成SDRAM控制器的底层驱动，相应的输入/输出端口主要分为两类：一类是FPGA 内部控制接口，包括控制类型的复位信号（areset），SDRAM 使能信号（sd_active）与读/写控制信号（rw），数据通信类型的地址信号（address），写入数据信号（indata）和读取数据信号（outdata）；另一类是SDRAM 控制接口，与外部SDRAM芯片K4S641632K引脚相连，包括了起数据通信作用的双向通信数据口（SDRAM_DATA）和SDRAM 命令输出的信号行有效（RAS_N）、列有效（CAS_N）等。
2.1.1 PLL模块
系统的输入时钟为50 MHz，而SDRAM 芯片和SDRAM控制器的工作时钟频率设定为100 MHz。需要通过调用FPGA的内部IP核[8]锁相环模块（PLL）来实现SDRAM和SDRAM控制器的工作频率和时钟相移。
2.1.2 sdram_init模块
初始化模块（sdram_init）的作用是实现SDRAM 芯片的初始化和SDRAM控制指令输出。主要由两个有限状态机[9]实现，一个是初始化状态机，另一个是工作状态机。初始化状态机属于摩尔型状态机，即输出的SDRAM控制命令信号仅随着状态的更改而变化。当完成初始化后，SDRAM控制器进入工作状态；工作状态机根据页快速命中的工作方式，在输入地址和当前工作状态的共同作用下，输出SDRAM 的控制命令和地址。上电复位后，两个状态机同时进入复位状态，直至PLL输出时钟稳定为止。当PLL 稳定后，sdram_init模块首先进入初始化状态机，状态机如图3所示。初始化时先后经历了200 μs的稳定期，所有L?Bank的预充电，8个周期自动刷新，模式寄存器的设置（MRS）。当初始化进入结束状态时，初始化状态机结束，模块进入工作状态机。
工作状态机主要由空闲、行有效、读取、写入和自动刷新5个状态组成。默认状态为空闲，优先判断是否需要进入自动刷新状态。通过判断SDRAM 使能信号（sd_active）决定是否需要进入行有效状态，读/写控制信号（rw）选择进入读取还是写入状态。K4S641632K需要在64 ms 内完成8 192 个自动刷新周期，即每7.8 μs 进入自动刷新状态1次。
2.1.3 sdram_wr_data模块
数据读/写模块（sdram_wr_data）负责SDRAM 控制器的16位数据传输。主要端口有写入数据信号（indata）、读取数据信号（outdata）、SDRAM 双向通信数据口（SDRAM_DATA）、读取有效信号（read_valid）和写入有效信号（write_valid）。其中indata 和outdata 属于SDRAM 控制器FPGA内部使用接口，与SDRAM 上层驱动连接；read_valid 和write_valid 属于数据传输辅助端口，与内部模块sdram_init 相连；Sdram_Data 是SDRAM控制器的底层双通道数据接口，直接与外部的SDRAM芯片的数据端口相连。
2.2 SDRAM控制器的Modelsim仿真
本设计是基于Quartusii 9.1环境下通过编写Verilog语言的testbench文件，并利用第三方软件modelsim协助下的波形仿真。如图4 所示，SDRAM 控制器处于连续写工作状态，每个列写入命令都伴随着4个16位位宽的数据。由于仿真的目的在于验证输出命令与数据的正确性，故写入数据信号（data）采用每工作周期自增1的连续数据。在突发长度期间，输出命令主要为空命令（NOP），即行有效（RAS）、列有效（CAS）、地址线（A）和L_Bank地址线（BA）都输出高；空命令实际就是无操作，等待下一次操作命令的到来，仿真时序处于行有效范围内且尚未自动刷新，故无需发送行有效命令。
2.3 SDRAM控制器的硬件测试与验证
为了进一步验证SDRAM 控制器的实用性和准确性，实物验证时添加了通信模块uart，并且把FPGA 与PC 机相连，通过软件串口调试助手进行收发验证。由于SDRAM 工作时，输入与输出部分的工作时钟一般与SDRAM异步。故此，在输入与输出部分需要设置16位异步FIFO[10]作为输入和输出缓存器。SDRAM控制器的实物验证方案图如图5所示，主要包括输入缓存器FIFOin，SDRAM控制器SDRAM_CONTROLLER，SDRAM逻辑控制器SDRAM_LOGIC，输出缓存器FIFOout 和串口通信模块UART。
逻辑控制器SDRAM_LOGIC实现了SDRAM工作时的逻辑状态跳转。如图6所示，SDRAM_LOGIC 默认状态为逻辑空闲，当输入FIFOin写满或写入结束时，逻辑状态由逻辑空闲状态跳转到逻辑写状态。在所有数据写入SDRAM 后，逻辑状态将从逻辑写状态跳转到逻辑读状态，相应地读出数据，并与原来写入的数据比较来验证SDRAM控制器的正确性。
图7为串口调试助手的验证图，通过串口调试助手发送一连串的数据到FPGA 开发板上，uart模块把接收的数据传输到SDRAM 控制模块上，控制模块通过页快速命中寻址方式把数据依次写入到SDRAM芯片上。写入结束后，SDRAM 控制器又把数据从SDRAM 芯片上依次读取并传输到UART模块，并通过UART把数据发送回串口调试助手。最后对比串口调试助手的写入数据与读出数据可知SDRAM控制器能精准地完成数据在SDRAM芯片上的写入与读出。
3 结论
本文采用FPGA 芯片EP2C35F484C8N 实现了基于页快速命中的SDRAM 控制器，并利用串口通信验证了该控制器的可靠性。双端口输入/输出缓存器FIFO 使其适应于异步时钟下的数据交换。相对于页命中和页错失寻址，页快速命中更加合理、有效、快速地实现了SDRAM 的写入和读取操作。同时结合了FPGA 的高速、并行等优势，使SDRAM 控制器具有良好的实时性、高效率和模块重用性。
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参考文献
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[9] MINNS P，ELLIOTT I. FSM?based digital design using verilogHDL [M]. New York：Wiley Blackwell，2008.
[10] 于海，樊晓桠.基于FPGA异步FIFO的研究与实现[J].微电子学与计算机，2007，24（3）：210?216.
作者简介：陈瑞斌（1989—），男，工程硕士。主要研究方向为基于FPGA的图像处理。
唐惠玲（1975—），女，硕士，副教授。主要研究方向为LCD/OLED的故障检测。
徐虎（1989—），男，湖南岳阳人，工学硕士，助理实验师。主要研究方向为自动控制、自动检测技术、电子技术应用（嵌入式、单片机开发、模/数电电路开发）。