基于FPGA的DDR-SDRAM控制器在高速数据采集系统中的应用.doc

基于FPGA的DDRSDRAM控制器在高速数据采集系统中的应用

作者：哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院门亮王立欣

引言

DDRSDRAM是DoubleDataRateSDRAM的缩写，即双倍速率同步动态随机存储器。DDR内存是在SDRAM内存基础上发展而来的，能够在时钟的上升沿和下降沿各传输一次数据，可以在与SDRAM相同的总线时钟频率下达到更高的数据传输率。

本设计中采用Altera公司Cyclone系列型号为EP1C6Q240C8的FPGA实现控制器，以Hynix公司生产的型号为HY5DU121622B(L)TP的DDRSDRAM为存储器，完成了对数据的高速大容量存储。

DDRSDRAM的控制原理及存储功能的实现

DDRSDRAM支持的常用命令有7种：空操作(NOP)、激活操作(Active)、突发读(BurstRead)、突发写(BurstWrite)、自动刷新(Autorefresh)、预充电(Precharge)、模式寄存器配置(ModeRegisterSet)。所有的操作命令都是通过信号线RAS_N、CAS_N、WE_N共同控制来实现的。

在对DDRSDRAM进行存取数据操作之前，首先要对其初始化，即设置DDRSDRAM的普通模式寄存器和扩展模式寄存器，确定DDRSDRAM的工作方式，这些设置包括突发长度、突发类型、CAS潜伏期和工作模式以及扩展模式寄存器中的对DDRSDRAM内部延迟锁定回路(DLL)的使能与输出驱动能力的设置。

初始化完成之后，DDRSDRAM便进入正常的工作状态，此时便可对存储器进行读写和刷新。DDRSDRAM在一对差分时钟的控制下工作。命令(地址和控制信号)在每个时钟的上升沿被触发。随着数据DQ一起传送的还包括一个双向的数据选通信号DQS，接收方通过该信号来接收数据。DQS作为选通信号在读周期中由DDRSDRAM产生，在写周期中由存储器的控制器产生。该选通信号与数据相关，其作用类似于一个独立的时钟，并满足相应的时序要求。由于DDRSDRAM的数据接口在时钟的两个沿的触发下工作，其数据宽度是存储器数据宽度的一半。为实现数据的大容量存储，设计时采用的是一个控制核同时对两片DDRSDRAM进行操作，外接数据线的宽度由单片DDRSDRAM的16位扩展到32位。

对DDRSDRAM的读和写操作是基于突发的，即从一个选定的地址单元开始，连续存取已设置长度的地址单元，该长度就是所谓的突发长度。DDRSDRAM提供的可编程的读或写的突发长度为2，4或8。数据的存取以一个激活命令(Active)开始，接着便是读(BurstRead)或写(BurstWrite)命令。与激活命令一起被触发的地址位用来选择将要存取的区和页(或行)，与读或写命令一起被触发的地址位用来选择突发存取的起始列单元。读命令被触发后，数据将在1.5～3个时钟周期之后出现在数据总线上。这个延迟就是所谓的CAS潜伏期(CASlatency)，即从DDRSDRAM内核读出数据到数据出现在数据总线上所需要的时间。CAS潜伏期的大小与SDRAM的速度和存储器的时钟频率有关。当要存取一个不同行的地址单元时，需要通过一个预充电(Precharge)操作关闭当前行。自动刷新(Autorefresh)命令用来周期性地刷新DDRSDRAM，以保持其内部的数据不丢失。

DDRSDRAM控制器的设计

DDRSDRAM控制器的功能包括：(1)初始化DDRSDRAM；(2)简化DDRSDRAM的读写时序；(3)将DDRSDRAM接口的双时钟沿数据转换为单时钟沿数据，使得对DDRSDRAM的操作类似于普通RAM；(4)控制器还要产生周期性的刷新命令来维持DDRSDRAM内的数据而不丢失。其控制转换图如图1所示。

在对DDRSDRAM初始化完成之后，就可进行读、写或其他操作。在执行读(写)命令之前，先要激活将要读(写)的行，之后便可对该行进行突发读(写)。在控制器的设计中，所有的读写命令都是不带预充电的，因此，某一行被激活之后将一直处于激活状态，直到用户发送突发终止命令，此时控制器将自动产生一个预充电命令来关闭当前行。这样，某一行被激活之后用户便可进行连续的突发读(写)操作，从而节省了每次突发读写所需要的激活时间，提高了系统的数据吞吐率。

DDRSDRAM的读操作流程

通过对DDRSDRAM的读时序的分析，将整个读操作过程分解为7个状态，每一个状态都对应着不同的命令(CMD)值，DDR控制核通过对CMD的译码完成对DDRSDRAM的操作。从整体的控制过程来看，读操作流程如图2所示。其中实线表示的是读操作的控制流程，虚线表示的读操作的状态转换流程。控制流程的实现依赖于控制器内部状态转换产