高速DDR SDRAM存储器控制器在嵌入式系统中的应用

很多嵌入式系统，特别是应用于图像处理与高速数据采集等场合的嵌入式系统，都需要高速缓存大量的数据。DDR（Double Data Rate，双数据速率）SDRAM由于其速度快、容量大，而且价格便宜，因此能够很好地满足上述场合对大量数据缓存的需求。但DDR SDRAM的接口不能直接与现今的微处理器和DSP的存储器接口相连，需要在其间插入控制器实现微处理器或DSP对存储器的控制。

随着密度与性能的不断提升，现场可编程门阵列（FPGA）已被广泛应用于各种嵌入式系统中。而且，现在很多的FPGAs都提供了针对DDR SDRAM的接口特性：其输入输出引脚都与SSTL－Ⅱ电气特性兼容，内部提供了DDR触发器、锁相环等硬件资源。使用这些特性，可以更加容易地设计性能可靠的高速DDR SDRAM存储器控制器。

1 DDR SDRAM在嵌入式系统中的应用

图1是DDR SDRAM在高速信号源系统中的应用实例。

在该系统中，由FPGA的完成各模块之间的接口控制。FPGA接收从前端传送过来的高速数字信号，并将其存储在DDR SDRAM中；DSP通过FPGA读取DDR中的数据，处理后再送回到DDR SDRAM，最后由FPGA负责将数据分两路输出。

该系统对存储器的要求是能够高速地存储大量的数据，DDR SDRAM正好能满足这一要求，此时，FPGA是否能对DDR SDRAM进行有效控制就成为影响系统性能的关键。最后的试验结果表明，FPGA是能够胜任这一任务的。

2 DDR SDRAM的工作方式

在DDR SDRAM能够被存取数据之前，需要先对其初始化。该初始化流程是预先定义好的。不正确的操作将导致无法预料的结果。初始化的过程中将设置DDR SDRAM的普通模式寄存器和扩展模式寄存器，用来制定DDR SDRAM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DDR SDRAM内部DLL的使能与输出驱动能力的的设置。模式寄存器可以被再编程，这时需要DDR SDRAM的各个区（bank）处于空闲状态，从而改变存储器的工作模式。如果操作正确，对模式寄存器的再编程不会改变存储器内存储的数据。

初始化完全之后，DDR SDRAM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。DDR SDRAM在一对差分时钟（CLK与CLKn；CLK的上升沿与CLKn的下降沿的交点被认为是CLK的上升沿）的控制下工作。命令（地址和控制信号）在每个时钟（CLK）的上升沿被触发。随着数据一起传送的还包括一个双向的数据选通信号，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DDR SDRAM来产生，写周期中由存储器控制器来产生。该选通信号与数据相关，其作为类似于一个独立的时钟，因此也需要满足相应的时序要求。读周期中，DQS与数据是边沿对齐的；写周期中，DQS与数据是中心对齐的。存储器输入的数据在DQS的两个沿都触发，输出的数据也是以DQS的两个沿作为参考，同时还要以时钟CLK的两个沿作为参考。因此，由于接口在时钟的两个沿的触发下工作。其数据宽度（n）是存储器数据宽度（2n）的一半。图2描述了DDR SDRAM的工作方式。

对DDR SDRAM的读和写操作是基于突发的：从一个选定的地址单元开始，连续存取设置好长度的地址单元。该长度就是所谓的突发长度。DDR SDRAM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 command，RAS_n low）开始，接着便是读（CAS_n low）或写（CAS_n low and WE_n low）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（bank）和页（或行）；与读或写命令一起触发的地址位用来选择突发存取的起始列单元。使用控制器读取DDR SDRAM的仿真波形示意图如图2所示。读命令被触发后，数据将在1.5－3个时钟周围之后出发在数据总线上。这个延迟就是所谓的CAS潜伏期（CAS latency），即从DRAM内核读出数据到数据出现在数据总线上所需要的时间 。CAS潜伏期的到小与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（AUTO－REFRESH）命令用来周期性地刷新DDR SDRAM，以保持其内部的数据不丢失。

3 DDR SDRAM控制器的设计

DDR SDRAM控制器的功能就是初始化DDR SDRAM；将DDR SDRAM复杂的读写时序转化为用户方简单的读写时序，以及将DDR SDRAM接口的双时钟沿数 据转换为用户方的单时钟沿数据，使用户像操作普通的RAM一样控制DDR SDRAM；同时，控制器还要产生周期性的刷新命令来维持DDR SDRAM内的数据而不需要用户的干预。

3.1 DDR SDRAM控制器的控制流程

DDR SDRAM提供了多种命令，整个控制状态机非常复杂。但很多应用场合中，并不需要用到所有的命令，因此为了简化设计，但同时又兼顾尽可能多的应用场合，在控制器的设计中制定了如下几种功能：DDR SDRAM的初始化、可变长度的突发读写，自动刷新功能，预充电以及模式寄存器的重置（reload）。图3是控制器整个状态转移图。

系统上电后，DDR SDRAM处于空闲状态（Idle），在对存储器进行读写操作之前，需要先对其进行初始化。初始化的过程中，将设置突发长度，突发类型，CAS潜伏期等参数。DDR SDRAM的初始化有一个固定的步骤，错误的操作将导致DDR SDRAM进入不确定状态。在控制器中使用了一个专门的初始化状态机来对DDR SDRAM进行初始化。

初始化完之后便可对DDR SDRAM进行读、写或其他操作。在执行读（写）命令之前，先要激活（Active）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。

控制器同时提供了一个自动刷新（auto refresh）计数器，每隔一定的时间间隔（即DDR SDRA的刷新周期，根据所使用的存储器而定，可在控制器中设定），便会产生一个刷新请求，如果此时DDR SDRAM处于空闲状态，控制器便会发生一个自动刷新命令来对DDR SDRAM进行刷新；如果此时DDR SDRAM正在进行读（写）操作，控制器将会等到当前的读（写）操作完全之后再发送新命令。在刷新过程中，用户如果有读（写）请求，控制器将在当前的刷新周期完成之后再响应用户的请求。

正常的操作过程中，当DDR SDRAM处于空闲状态时，用户还可以根据实际的需要来重置存储器的控制寄存器，重新设定存储器的突发长度、突发类型、CAS潜伏期等参数。

3.2 控制器数据通道的结构

图4是DDR SDRAM控制器数据通道的结构图。图4中完整的显示了控制器读和写数据通道上DQ与DQS的结构关系。前面提到过，Cyclone系列FPGA没有带DDR触发器的输入输出单元，但完全可以用靠近输入输出引脚处的逻辑资源来实现DDR触发器，而且最后的结果表明，这种实现方式可以满足时序要求。

从图4中也可以看到，控制器内部有两个时钟，clk和clk_90，两者之间的相位差为90°。图中将面向存储器的时钟命名为clk。它是clk_90时钟的90°相位延迟后的信号。clk_90作为系统时钟来驱动整个FPGA，clk时钟驱动存储器接口路。

3.2.1 DQS相位延迟电路

在读周期中，DDR SDRAM处输出的DQ和DQS信号是边沿对齐的。为了使用DQS作为选通信号来捕获DQ，DQS信号需要在FPGA内部相对于DQ信号作90°的相位延迟。但是这个延迟不能使用锁相环（PLL）来完成，因为DQS信号不具有时钟的特性。因此，需要在DQS和数据时钟之间加一个延迟链（delay clain），如图4中所示。

前面提到过，Cyclone系列FPGA在其DQS输入引脚上有一个专用的延迟单元，用来使DQS相对于DQ信号产生一个90°相移。因此，可 以使用该硬核资源来完成对DQS的相移，而不必通过内部的逻辑来搭建这样一个延迟电路，从而可以获得更好的时序性能。

3.2.2 再同步

读周期中，从DDR SDRAM来的数据信号首先通过延迟后的DQS锁存到DDR触发器中。为了在FPGA内部能够使用该数据，还要将其同步到FPGA内部的时钟域上，这个过程称为再同步（resynchronization）。如图4所示，对于前一级DQS延迟后的信号锁存的数据再通过clk_90同步之后才送到内部数据总线上。

在写周期中，DQS与DQ必须是中心对齐的（center align）。我们用clk_90时钟触发的DDR触发器产生DQS信号，因此，为了满足时序要求，从内部来的数据通过clk_90时钟锁存后再由clk触发的DDR触发器将其输出，从而保证DQS与DQ是中心对齐的。

4 控制器的实现

该控制器针对16位宽512Mb的DDR SDRAM设计，在Altera公司的Quartus Ⅱ4.2环境中采用Cyclone系列的FP1C6Q240C6来实现，总共使用了729个逻辑单元，占FPGA可编程逻辑资源的12％，此外还使用了1个锁相环（PLL）。最后，在Modelsim 5.8中对整个工程进行布局－布线后仿真（Post－Place＆Route Simulation），采用的模型为Micron公司的512Mb的DDR SDRAM MT46V32M16的仿真模型，时钟为133MHz，图2是控制器读取DDR SDRAM的时序仿真波形。

5 结论

本文给出了一种通过FPGA控制将DDR SDRAM应用在嵌入式系统中的方法。设计中采用Altera公司性价比较高的Cyclone系列FPGA，并充分利用片内提供的锁相环、DDR触发器以及DQS延迟链等硬件资源，占用的逻辑资源少。该设计可以很容易地转移到Altera公司其他系列的FPGA上，经过适当的修改还可以用来控制64位宽的DIMM型的DDR SDRAM，因此可以很好地应用在需求高速度、大容量存储器的场合中。