利用FPGA实现MMC2107与SDRAM接口设计

SDRAM存储系统的实际存储容量为32M×32位，使用4片三星公司生产的K4S560832A存储器芯片。系统MMC2107支持对存储单元的读写和刷新。MMC2107对读写存储器的读写以32位单位进行（数据宽度32位），每次读写由外部决定访存周期。采用分散刷新方式，7.8μs执行1次自动刷新命令；如果长时间没有访存操作，自动进入低功耗模式。

4.1 SDRAM存储接口结构

本文使用了1片FPGA可编程器件来设计SDRAM控制接口（下文称为SDRAM控制器），SDRAM控制器接受MCU的写、读命令。由于K4S560832A时钟频率为133MHz，SDRAM要求在64ms内刷新8192行数据，因此该器件每间隔7.8μs执行一次自动刷新命令，计数器数值应小于7.8μs×133MHz=1037.4。当计数器计满1037次时，内部设置一个刷新定时器给出刷新命令，由SDRAM内部状态控制器产生对K4S460832A的相应操作命令序列。数据线不通过SDRAM控制器，4片SDRAM各输出1字节宽度的数据。SDRAM存储系统基本结构如图3所示。

图5 SDRAM存储器读状态机及时序关系

    4.2 SDRAM控制状态机设计

SDRAM状态机用来实现其初始化、命令仲裁、单字读/写、猝发读/写、自动刷新和自刷新操作。

（1）存储器器件初始化

存储器初始化过程严格按照K4S560832A上电顺序要求，对器件完成初始化设置。上电后延时200μs后对所有体进行预充电，计数器数值=200μs×133MHz=26 000次。然后，给出两个自动刷新命令，进行模式设置，初始化结束后进入空闲状态T0，等待对存储器的访问命令。其过程状态如图4所示。

（2）命令仲裁

完成存储器上电初始化后，SDRAM进入空闲态T0，在该状态进行命令仲裁。由于读写命令来自MCU，在同一时刻只能有一个有效，它们之间不需要仲裁。读写命令和刷新命令的仲裁原则为先来先服务，同时到达时读写优先。若长时间没有访问请求（SDRAM控制状态机内部定时器探测），则令存储器进入低功耗模式。在存储器进入低功耗模式后，读写命令可以把状态从低功耗模式拉出，而自动刷新请求则被屏蔽。
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    （3）存储器读

由于嵌入式系统时钟频率较低，置存储器读延时节拍数（CL）为“2”，读操作由四个状态组成。由于存储器件读操作分为单字读和猝发读两种方式，因此，设计一个计数器来区分两种读操作，并用该计数器定义猝发读的长度。当计数器=0时，进行单字读操作；当计数器≠0时，进行猝发读操作，计数器在时钟信号的触发下递减，连续读出若干个数据，直至计数器=0，完成猝发读操作。其状态转换及时序关系如图5所示。

（4）存储器写

存储器写操作由三个状态组成。其状态转换及时序关系如图6所示。由于存储器件写操作分为单字写和猝发写两种方式，因此设计一个计数器来区分两种写操作，并用该计数器来定义猝发写的长度。当计数器=0时，进行单字节写操作；当计数器≠0时，进行猝发写操作。计数器在时钟信号的触发下递减，连续写入若干个数据直至计数器=0，完成猝发写操作。

图7 自动刷新和自刷新状态转换

    （5）存储器自动刷新和自刷新

自动刷新操作由2个节拍组成，自刷新由11个节拍组成。进入自刷新模式之前和退出自刷新模式后各进行1次自动刷新操作。自动刷新和自刷新操作状态转换关系如图7所示。

SDRAM状态机设计完成后，利用VHDL语言对SDRAM状态机进行行为描述，然后编译、模拟仿真和适配下协，并注意合理的引脚定义，充分利用芯片资源，由于FPGA通用、高速及价廉的特点，因此具有很好的应用前景，尤其适用于需要大容量存储器扩展的嵌入式系统中。

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