基于VHDL的DRAM控制器设计

　　80C186XL16位嵌入式微处理器是Intel公司在嵌入式微处理器市场的上导产品之一。为了方便地使用DRAM，降低系统成本，本文提出一种新颖的解决方案：利用80C186XL的时序特征，采用CPLD技术，并使用VHDL语言设计实现DRAM控制器。

　　一、80C186XL RCU单元的资源

　　80C186XL的BIU单元提供20位地址总线，RCU单元也为刷新周期提供20位地址总线。80C186XL能够产生刷新功能，并将刷新状态编码到控制信号中。

　　嵌入式系统中DRAM控制器的CPLD解决方案

　　图1是RCU单元的方框图。它由1个9位递减定时计数器、1个9位地址计数器、3个控制寄存器和接口逻辑组成。当RCU使能时，递减定时计数器每一个CLKOUT周期减少1次，定时计数器的值减为1时，则产生刷新总线请求，递减定时计数器重载，操作继续。刷新总线周期具有高优先级，旦80C186XL总线有空，就执行刷新操作。

　　

 

　　设计者可将刷新总线周期看成是“伪读”周期。刷新周期像普通读周期一样出现在80C186XL总线上，只是没有数据传输。从引脚BHE/RFSH和A0的状态可以判别刷新周期，如表1所列。刷新总线周期的时序要求如图2所示。

　　

 

　　二、80C186XL DRAM控制器的设计与运行

　　DRAM存在着大量、复杂的时序要求，其中访问时间的选择、等待状态以及刷新方法是至关重要的。DRAM控制器必须正确响应80C186XL的所有总线周期，必须能将DRAM的部周期和其它访问周期分辨出来，其访问速度必须足够快，以避免不必要的等待周期。

　　在设计时，我们采用XC95C36-15 CPLD[2]以及4Mbits的V53C8258[3]DRAM作范例。15ns的CPLD，速度相对较高，价格比较便宜。用它设计成的DRAM控制器允许80C186XL的工作速度高达20MHz，并且XC95C36有异步时钟选择项。这种特性对本设计有很大的好处。

　　图3是80C186XL DRAM控制器和存储器的功能框图。

　　

 

　　DRAM控制器由80C186XL状态信号S2、S1和S0的解码来检测总线的开始、类型和结束。这些状态线是在CLKOUT的上升沿开始有效，在CLKOUT的下降沿失效的。DRAM控制器发出的RAS和CAS信号应该在CLKOUT的下降沿同时有效，行列地址应该在CLKOUT上升沿附近提供。

　　DRAM控制器应该在CLKOUT的两个沿都应能正常操作。通过启用XC95C36的异步时钟选择项，每个XC95C36宏单元可以从可编程与阵列获得时钟。DRAM控制器使用80C186XL的CLKOUT信号作时钟输入。

　　DRAM控制器主要由两个相互联的状态机构成。这两个状态机，使得DRAM的控制与80C186XL是否进行等待状态无关。状态机A和地址多路控制信号(MUX)在CLKOUT的上升沿锁存。状态机B和RAS及CAS的逻辑在CLKOUT的下降沿锁存。DRAM控制器完整的VHDL语言的源代码可Email给[e-mail]索取。

　　DRAM控制器的状态图中状态机A和B的起始条件分别是A0和B0。状态机A初始化DRAM控制器的序列，状态机B终止该序列。

　　在T2的下降沿，RAS逻辑采样状态机A的状态，锁存的地址线和总经状态信号。如果状态机A在A1状态(存储器读、写或刷新周期)并且总线周期为DRAM使用，则XC95C36插入RAS信号。

　　在T2的上升沿，状态机A也采样锁存的地址线。如果总线周期被DRAM占用，状态机A将从状态A1转移到A2，否则状态机A转换到A3。至此控制转移到状态机B。MUX逻辑采样RAS和BHE引脚的状态。如果RAS有效(指示DRAM在访问)，并且总线周期下是刷新周期，XC95C36将插入MUX。MUX在行列地址之间切换，以便进行DRAM的读写操作。

　　在T3的下降沿，状态机B采样状态机A。如果状态机A处于状态A2(DRAM访问)或状态A3(存储器读或写，但不是DRAM访问)，状态机B从状态B0转到B1。如果总线周期是一个DRAM访问周期，XC95C36继续保持RAS有效。CAS逻辑采样MUX的状态、锁存地址A0、BHE和总线周期状态。如果MUX有效(指示DRAM读或写)，并且访问低字节，则XC95C36插入LCAS;如果MUX有效，并且微处理器访问高字节，XC95C36插入UCAS。DRAM读访问和DRAM刷新访问不同之处在于：对刷新来说，不需要MUX、UCAS和LCAS。

　　在T3的上升沿，状态机A等待状态机B中断此序列。如果MUX有效(DRAM读或写)，它将保持有效。

　　有下一个降沿，状态机B采样总线状态信号。如果状态信号仍然有效，则此状态为等待状态Tw，状态机B保持在状态B1。如果这个状态是等待状态，并且RAS有效(DRAM访问)，RAS保持有效;如果状态为等待状态，并且UCAS和LCAS有效(DRAM读或写)，UCAS和LCAS保持有效。

　　在等待状态的上升沿，状态机A继续等待状态机B来中断此序列。如果MUX有效(DRAM读或写)，则它在T3状态里保持有效。

　　如果微处理器状态信号无效，这个状态则是一个T4状态，状态机B从B1转到B2.如果状态是一个T4状态，并且RAS有效(DRAM访问)，则RAST4状态，并且RAS有效(DRAM访问)，则RAS逻辑也检测无效状态信号，并且XC95C36关闭RAS信号;如果状态是一个T4状态，并且UCAS和LCAS有效(DRAM读或写)，则CAS逻辑也采样总线状态信号;如果状态信号无效，则XC95C36关闭UCAS和LCAS信号。

　　在T4的上升沿，状态机A采样状态机B的状态。在状态机B处于B2状态的情况下，状态机A从A2状态(DRAM访问)或A3状态(存储器读或写，但不是DRAM访问)转到A0。如果MUX有效，MUX逻辑检查RAS的状态;如果RAS无效(指示一个终止周期)，XC95C36关闭MUX。

　　在下一个CLKOUT下降沿，状态机B无条件地从状态B2转到B0，终止DRAM序列。控制转移给状态机A。

　　三、80C186XL RCU单元的编程

　　要使DRAM正常工作，就必须对80C186XL中与DRAM刷新有关的寄存器进行正确编程。这些寄存器包括：刷新时钟间隔寄存器(RFTIME寄存器)、刷新基地址寄存器(RFBASE寄存器)和刷新控制寄存器(RFCON寄存器)。

　　刷新时钟间隔寄存器(RFTIME寄存器)的编程公式为：Trefresh×fcpu/(Rrow+Rrows×补偿因子)。V53C8258的技术参数规定，其刷新周期Trefresh为8ms，存储阵列行数Rrows为512。考虑到RCU取得总线控制权的延时，补偿因子取0.05。因此，微处理器在fcpu=20MHz工作频率下，RFTIME寄存器的取值为：0.008×20×10 6/(512+512×0.05)，约为297.

　　刷新基地址寄存器(RFBASE寄存器)的编程。该寄存器的高7位，规定了DRAM容量大小。系统使用两片V53C8258情况下，RFBASE的取值为00H，DRAM占用微处理器的存储空间的00000H～7FFFFH(512KB)。

　　最后通过将刷新控制寄存器(RFCON寄存器)的REN位置位，来启动刷新控制单元。

　　若使用80C186XL的节电模式，则要求重新编程这些值。在写节电控制寄存器前，必须先用要时钟分频值去除原先设置在刷新间隔寄存器的值，来重新设置寄存器。

　　四、结束语

　　上述CPLD还留在一些引脚和内部资源未使用，只要设计者将VHDL源代码稍微作一些修改，就可以用这些引脚控制新增加的DRAM，提供总线准备输出信号或DMA响应信号。

　　如果采用引脚数和宏单元较多的XC9672或XC95108CPLD，就可以将D触发器(74HC74)、多路地址切换器(74HC157)、数据收发器(74HC245)和地址总线锁存器(74HC373)等其它分立逻辑器件的功能全部集成到CPLD中，这样系统集成度和可靠性将更加提高。