利用FPGA實(shí)現MMC2107與SDRAM接口設計

摘要：介紹基于現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA），利用VHDL語(yǔ)言設計實(shí)現MMC2107與SDRAM接口電路。文中包括MMC2107組成結構、SDRAM存儲接口結構和SDRAM控制狀態(tài)機的設計。

關(guān)鍵詞：現場(chǎng)可編程門(mén)陣列 SDRAM EBI VHDL 狀態(tài)機 K4S560832A

引言

在嵌入式系統中，微控制器中通常有一定容量的存儲器，用來(lái)存放程序和數據，但由于片內存儲器受器件規模和生產(chǎn)成本的制約，其容量通常不能滿(mǎn)足用戶(hù)實(shí)際需求，還需要使用半導體存儲器件來(lái)擴展存儲空間。如果采用SDRAM進(jìn)行存儲擴展，可以大幅度地降低系統設計成本；但SDRAM控制時(shí)序比較復雜，給系統設計帶來(lái)很大困難。為了方便使用SDRAM，實(shí)現嵌入式系統中存儲的大容量擴展，本文介紹一種新穎的解決方案：采用FPGA技術(shù)和VHDL語(yǔ)言，實(shí)現MMC2107微控制器與SDRAM的接口設計。

1 SDRAM內部結構

SDRAM是一種具有同步接口的高速動(dòng)態(tài)隨機存儲器。本文語(yǔ)選用的是三星公司生產(chǎn)的32M8位SDRAM器件K4S560832A。K4S560832A存儲總容量256M位，內部分成4個(gè)全，每個(gè)體8M字節，內部結構如圖1所示。

K4S560832A為了能滿(mǎn)足各種系統的使用要求，提供了時(shí)鐘頻率、猝發(fā)長(cháng)度、延時(shí)節拍等可編程參數。在芯片上電后可以通過(guò)地址線(xiàn)A12～A0配置，芯片只有在完成配置后才能進(jìn)入正常工作狀態(tài)。在具體操作SDRAM時(shí)，首先，必須進(jìn)行初始化配置，即寫(xiě)模式寄存器，以便確定DRAM列選延遲節拍數、猝發(fā)類(lèi)型、猝發(fā)長(cháng)度等工作模式。然后通過(guò)ACT命令激活對應地址的組，同時(shí)輸入行地址。最后，通過(guò)RD或WR命令輸入列地址，將相應數據讀出或寫(xiě)入到對應的地址。操作完成后，用相關(guān)命令中止讀或寫(xiě)操作。在沒(méi)有操作的時(shí)候，每64ms必須對所有存儲單元刷新一遍（8192行），防止數據丟失。

圖1 K4S560832A內部結構

2 MMC2107組成結構及外部總線(xiàn)接口

MMC2107是32位M-CORE系列MCU，是以M210microRISC核為CPU，最高系統時(shí)鐘可達33MHz；在MIPS。MMC2107是基于M210 CPU的、通用MCU系列中的第一個(gè)成員，具有很低的功耗；在主模式下，以最大系統時(shí)鐘運行，并且片內所有模塊全部處于運行狀態(tài)時(shí)，最大的工作電流為200mA，特別適合于由電池供電的應用場(chǎng)合。MMC2107的組成框圖如圖2所示。

從圖2可以看出，MMC2107片內除了M210核以外，主要還有128KB Flash、8KB SRAM、外部總線(xiàn)接口、時(shí)鐘模塊、復位模塊、M-CORE到IPBUS之間的接口、中斷控制器模塊、8位邊沿端口葦、2個(gè)可編程間隔定時(shí)器（PIT1和PIT2）、看門(mén)狗定時(shí)器WDT、2個(gè)定時(shí)器模塊（TIM1和TIM2）、串行外圍接口SPI、2個(gè)串行通信接口（SCI1和SCI2）、ADC模塊、多個(gè)通用的輸入/輸出信號、TAP控制器等功能及模塊。

MMC2107在主模式和仿真模式下，支持MCORE訪(fǎng)問(wèn)外部的存儲器或設備。這時(shí)，M-CORE的本地總線(xiàn)（內部總線(xiàn)）擴展到片外，由外部總線(xiàn)接口（EBI）負責控制M-CORE局部總線(xiàn)和外地址空間之間的信息傳送。EBI有23位地址總線(xiàn)A[22:0]和4個(gè)片選信號CS[3:0]，使M-CORE的外部存儲存儲器地址空間可達32MB。EBI的數據傳送寬度可以是32位的，也可以是16位的，可以由片選模塊按4個(gè)片選通道分別予以設定，即片選通道0～3可各自編程選定。為了便于與各種速度的外設備相連，EB1在片選模塊的控制下，可以形成所需長(cháng)度的外總線(xiàn)周期。在EBI發(fā)起一個(gè)外部數據傳送以后，EBI驅動(dòng)并保持傳送所需的各種信號，直到該總線(xiàn)周期結束。使EBI結束現行總線(xiàn)周期的方法有兩種：EBI收到了由外邏輯發(fā)來(lái)的傳送響應信號TA或TEA，或者收到了內部傳送響應信號，片選模塊可以為4個(gè)片選通道分別選擇總線(xiàn)周期結束的方法。

圖2 MMC2107組成框圖

3 FLEX10K系列FPGA

隨著(zhù)深亞微米VLSI技術(shù)的迅速發(fā)展，FPGA/CPLD等可編程器件的資源有極大的發(fā)展。尤其是FPGA，器件的集成度已達到上千萬(wàn)門(mén)，系統工作頻率已達到幾百MHz。FLEX10K系列FPGA是工業(yè)界第一個(gè)嵌入式的可編程邏輯器件。由于其具有高密度、低成本、低功率等特點(diǎn)，所以脫穎而出成為當今Altera CPLD中應用前景最好的器件系列。到目前為止，FLEX 10K系列已經(jīng)推出了FLEX10K、FLEX10KA、FLEX10KB、FLEX 10KV和FLEX10KE等5種分支系列，其集成度也達到前所未有的250 000門(mén)。FLEX10K主要由嵌入式陣列塊（EAB）、邏輯陣列塊（LAB）、快速布線(xiàn)通道（FastTrack）和I/O單元組成，具有如下特點(diǎn)：

①片上集成了實(shí)現宏函數的嵌入式陣列和實(shí)現普通函數的邏輯陣列；

②高密度，具有10 000～250 000個(gè)可用門(mén)；

③支持多電壓（multivolt）I/O接口，低功耗，遵守全PCI總線(xiàn)規定，內帶JTAG邊界掃描測試電路；

④通過(guò)外部EPROM、集成控制器或JTAG接口實(shí)現在電路可重構（ICR）；

⑤快速、可預測連線(xiàn)延時(shí)的快速通道連續式布線(xiàn)結構；

⑥實(shí)現高速、多輸入邏輯函數的專(zhuān)用級聯(lián)鏈；

⑦增強功能的I/O引腳，每個(gè)引腳都有一個(gè)獨立的三態(tài)輸出使能控制，都有漏極開(kāi)路選擇；

⑧具有快速建立時(shí)間和時(shí)鐘到輸出延時(shí)的外部寄存器；

⑨多種封裝方式可任意選擇。

本文所采用的FLEX 10K系列器件是FLEX 10KA EPF10K30AQC240引腳器件。

圖3 SDRAM存儲系統基本結構 圖4 SDRAM存儲器初始化狀態(tài)機

4 MMC2107微控制器SDRAM接口設計

本文介紹MMC2107外部SDRAM存儲系統的實(shí)際存儲容量為32M32位，使用4片三星公司生產(chǎn)的K4S560832A存儲器芯片。系統MMC2107支持對存儲單元的讀寫(xiě)和刷新。MMC2107對讀寫(xiě)存儲器的讀寫(xiě)以32位單位進(jìn)行（數據寬度32位），每次讀寫(xiě)由外部決定訪(fǎng)存周期。采用分散刷新方式，7.8μs執行1次自動(dòng)刷新命令；如果長(cháng)時(shí)間沒(méi)有訪(fǎng)存操作，自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式。

4.1 SDRAM存儲接口結構

本文使用了1片FPGA可編程器件來(lái)設計SDRAM控制接口（下文稱(chēng)為SDRAM控制器），SDRAM控制器接受MCU的寫(xiě)、讀命令。由于K4S560832A時(shí)鐘頻率為133MHz，SDRAM要求在64ms內刷新8192行數據，因此該器件每間隔7.8μs執行一次自動(dòng)刷新命令，計數器數值應小于7.8μs133MHz=1037.4。當計數器計滿(mǎn)1037次時(shí)，內部設置一個(gè)刷新定時(shí)器給出刷新命令，由SDRAM內部狀態(tài)控制器產(chǎn)生對K4S460832A的相應操作命令序列。數據線(xiàn)不通過(guò)SDRAM控制器，4片SDRAM各輸出1字節寬度的數據。SDRAM存儲系統基本結構如圖3所示。

圖5 SDRAM存儲器讀狀態(tài)機及時(shí)序關(guān)系

4.2 SDRAM控制狀態(tài)機設計

SDRAM狀態(tài)機用來(lái)實(shí)現其初始化、命令仲裁、單字讀/寫(xiě)、猝發(fā)讀/寫(xiě)、自動(dòng)刷新和自刷新操作。

（1）存儲器器件初始化

存儲器初始化過(guò)程嚴格按照K4S560832A上電順序要求，對器件完成初始化設置。上電后延時(shí)200μs后對所有體進(jìn)行預充電，計數器數值=200μs133MHz=26 000次。然后，給出兩個(gè)自動(dòng)刷新命令，進(jìn)行模式設置，初始化結束后進(jìn)入空閑狀態(tài)T0，等待對存儲器的訪(fǎng)問(wèn)命令。其過(guò)程狀態(tài)如圖4所示。

（2）命令仲裁

完成存儲器上電初始化后，SDRAM進(jìn)入空閑態(tài)T0，在該狀態(tài)進(jìn)行命令仲裁。由于讀寫(xiě)命令來(lái)自MCU，在同一時(shí)刻只能有一個(gè)有效，它們之間不需要仲裁。讀寫(xiě)命令和刷新命令的仲裁原則為先來(lái)先服務(wù)，同時(shí)到達時(shí)讀寫(xiě)優(yōu)先。若長(cháng)時(shí)間沒(méi)有訪(fǎng)問(wèn)請求（SDRAM控制狀態(tài)機內部定時(shí)器探測），則令存儲器進(jìn)入低功耗模式。在存儲器進(jìn)入低功耗模式后，讀寫(xiě)命令可以把狀態(tài)從低功耗模式拉出，而自動(dòng)刷新請求則被屏蔽。


（3）存儲器讀

由于嵌入式系統時(shí)鐘頻率較低，置存儲器讀延時(shí)節拍數（CL）為“2”，讀操作由四個(gè)狀態(tài)組成。由于存儲器件讀操作分為單字讀和猝發(fā)讀兩種方式，因此，設計一個(gè)計數器來(lái)區分兩種讀操作，并用該計數器定義猝發(fā)讀的長(cháng)度。當計數器=0時(shí)，進(jìn)行單字讀操作；當計數器≠0時(shí)，進(jìn)行猝發(fā)讀操作，計數器在時(shí)鐘信號的觸發(fā)下遞減，連續讀出若干個(gè)數據，直至計數器=0，完成猝發(fā)讀操作。其狀態(tài)轉換及時(shí)序關(guān)系如圖5所示。

（4）存儲器寫(xiě)

存儲器寫(xiě)操作由三個(gè)狀態(tài)組成。其狀態(tài)轉換及時(shí)序關(guān)系如圖6所示。由于存儲器件寫(xiě)操作分為單字寫(xiě)和猝發(fā)寫(xiě)兩種方式，因此設計一個(gè)計數器來(lái)區分兩種寫(xiě)操作，并用該計數器來(lái)定義猝發(fā)寫(xiě)的長(cháng)度。當計數器=0時(shí)，進(jìn)行單字節寫(xiě)操作；當計數器≠0時(shí)，進(jìn)行猝發(fā)寫(xiě)操作。計數器在時(shí)鐘信號的觸發(fā)下遞減，連續寫(xiě)入若干個(gè)數據直至計數器=0，完成猝發(fā)寫(xiě)操作。

圖7 自動(dòng)刷新和自刷新?tīng)顟B(tài)轉換

（5）存儲器自動(dòng)刷新和自刷新

自動(dòng)刷新操作由2個(gè)節拍組成，自刷新由11個(gè)節拍組成。進(jìn)入自刷新模式之前和退出自刷新模式后各進(jìn)行1次自動(dòng)刷新操作。自動(dòng)刷新和自刷新操作狀態(tài)轉換關(guān)系如圖7所示。

SDRAM狀態(tài)機設計完成后，利用VHDL語(yǔ)言對SDRAM狀態(tài)機進(jìn)行行為描述，然后編譯、模擬仿真和適配下協(xié)，并注意合理的引腳定義，充分利用芯片資源，由于FPGA通用、高速及價(jià)廉的特點(diǎn)，因此具有很好的應用前景，尤其適用于需要大容量存儲器擴展的嵌入式系統中。