處理器外接SDRAM的控制技術介紹

現代的處理器(SoC)或DSP都內建有內存控制器，它是外部SDRAM、FLASH、EEPROM、SRAM……等內存的控制接口。但不同處理器內部的內存控制方式都不盡相同，而且它們的控制程序大部分都位于開機程序內，皆屬于匯編語言，所以常令人不知所云。

　　SDRAM的規格

　　現代的處理器并不需要額外的外部器件，就可以直接將外部內存連接至處理器的腳位上。但是，在選擇SDRAM時，還是必須考慮下列幾項因素：

　　● 工作電壓

　　● 最大的工作頻率

　　● 最大的記憶容量

　　● I/O大小和排數(bank number)

　　● “列地址閃控(column address strobe;CAS)”的延遲(latency)

　　● 刷新(refresh)的速率

　　● 分頁大小(page size)

　　● 初始化的順序(sequency)：可程序化的順序是MRS=>REF(refresh)或REF=>MRS。

　　上述參數都列在SDRAM規格中，它們必須能符合處理器內部的內存控制器之要求，惟有如此，才不需要額外的外部器件，否則就必須另外設計邏輯電路來銜接。在圖1中，SDRAM-B無法符合ADSP-TS201S處理器的內存控制器的要求。因為SDRAM-B的“突發資料組之寬度(burst length)”是1，而不是“全分頁”;而且SDRAM-B的分頁大小是2048字組(word或16bits)，但是ADSP-TS201S處理器最多只能支持1024字組。所以，相較之下，應該SDRAM-A才對。

　　緩存器的設定

　　與其它控制器一樣，處理器內部的內存控制器也需要透過緩存器(register)去設定它的組態與功能。根據圖1的規格，可以設定ADSP-TS201S處理器的“SDRAM控制緩存器(SDRCON)”。SDRCON緩存器的初始值是0，表示SDRAM是在禁能(disable)狀態。圖2是SDRCON緩存器的每個位的名稱。

　　1. 位0(SDRAM ENABLE)：設為1時，表示有SDRAM存在。

　　2. 位1～2(CAS LATENCY;CL)：表示當讀取(read)命令發出之后，至數據出現時之間的時間。它與寫入作業無關。此值可以在SDRAM規格表中查到，如圖3所示。假設外部總線速率是100MHz，則CL應設為2。有些SDRAM的時序參數(例如：CL、tRAS、tRP…..等)是根據不同的傳輸速率和速率等級(speed grade)而定的。

　　3.位3(PIPE DEPTH)：當有數個SDRAM并排使用時，可能需要外部緩沖存儲器(buffer)，這時，此位必須設為1。不過，如果SDRAM腳位上的電容值遠低于30pF，則此位可以設為0。

　　4.位4～5(PAGE BOUNDARY)：分頁邊界，是用來定義分頁的大小，單位是字組。此值與“列的地址(column addresses)”數目相等。圖4是SDRAM-A的規格，從中可以查出：列地址的總數目是256(A0~A7)，因此，分頁大小是256。

　　5. 位7～8(REFRESH RATE)：這個值能決定處理器內部的刷新計數器(refresh counter)之值，好讓處理器的速率能與外部SDRAM所需的刷新速率相配合。于圖4中，刷新計數值是4K;而且在SDRAM規格中，會經常見到：64ms，4096 cycle refresh或者4096 cycles/64ms或15.6μs/row。刷新速率的計算公式是：cycles=SOCCLK×tREF/Rows，其中，SOCCLK是處理器的CPU速率，tREF是SDRAM刷新間隔(refresh period)，Rows是行地址的位數目。假設SOCCLK等于250MHz，由上述公式可以求得刷新速率等于3900周期(cycles)。因此，實際的刷新速率必須等于或小于3900周期，但是ADSP-TS201S處理器的內存控制器最多只支持3700周期，所以此值要設定為3700。

　　6. 位9～10(PRC TO RAS DELAY)：此參數決定SDRAM的Precharge到RAS之間的延遲時間，也就是tRP，如圖5所示。圖6是SDRAM的時序規格范例，其中，傳輸率屬-6等級者，它的最小tRP值是18ns，若使用100MHz速率，則至少需要1.8周期(100MHz×18ns=1.8)。因此，tRP應該設為2周期。

　　7. 位11～13(RAS TO PRC DELAY)：此參數決定RAS到Precharge之間的延遲時間，也就是tRAS。如圖6所示，最小的tRAS值是42ns，若使用100MHz速率，則至少需要4.2周期。因此，tRAS應該設為5周期。

　　8. 位14(INIT SEQUENCE)：它決定SDRAM于開機時的初始化程序。若此程序是：在開機后100μs內，至少必須執行一個COMMAND INHIBIT或NOP命令，之后，執行PRECHARGE命令，此時，SDRAM是處于閑置(idle)狀態。然后，執行兩個AUTO-REFRESH，再設定“模式緩存器(mode register)”。最后，才能執行讀寫作業。這表示此SDRAM的初始化時間至少需要：PRE+2×Autorefresh+MRS(mode register set)。

　　9. 位15(EMR ENABLE)：只有當連接至低功率(2.5V)的SDRAM時，才必須設定這個位值，否則保持0。

　　當SDRCON緩存器按照上述規則被設定好之后，內存控制器將會發出MRS命令，對外部SDRAM進行初始化。

設計程序

　　了解了SDRAM規格與內存控制器的緩存器功能之后，接著就要設計SDRAM的初始化程序，其一般設計程序概述如下：

　　1. 設定刷新定時器(refresh timer)的預分頻(prescaler)參數：它決定刷新定時器的輸入頻率(input clock)。總線頻率除以此參數(或者還要再加上一個正整數值)就等于刷新定時器。

　　2. 設定刷新定時器的計時時間的長度(或刷新速率)：亦即，設定刷新SDRAM暫存內容的時間間隔。當此計時時間終了時，內存控制器會自動發出刷新請求。例如：若已知系統頻率和最大可允許的刷新時間，就可以經由預分頻參數、系統頻率、最大可允許的刷新時間，求出適當的刷新時間間隔(不能大于最大可允許的刷新時間)。請參考上節的REFRESH RATE定義。

　　3. 設定基準地址(base address)：大多數的SoC都是采用多任務式總線(multiplexed bus)架構，使不同種類的內存、不同的數據端口大小(port size)能夠共享使用相同的總線，此時，內存控制器必須根據此基準地址，來和目前所要存取的地址做比較，之后，內存控制器才能知道目前要和哪一種內存——具有某種特定的屬性——進行存取作業。這些特定的屬性包括：內存的作業模式或類型、數據端口大小、防止寫入、使用外部的內存控制器、局部區域的獨立運算(atomic opration)、支持數據管線作業(data pipelining;可以增加一個執行周期，以省略掉數據建立所需的額外時間)、數據是正確的。

　　4. 設定存取模式：這包含，設定SDRAM的大小、單一SDRAM的內部記憶排的數量、行起始地址的位(row start address bit)、行地址線的數目(row address lines)、分頁模式(當總線閑置時，分頁是關閉的;亦或一直保持開啟，直到發生分頁失誤或執行刷新作業)、取消內部記憶排交錯(bank interleaving)。

　　5. 設定作業模式：這包含，選擇多任務尋址的方式(記憶排交錯或分頁交錯)、啟動刷新作業、存取SDRAM時執行何種作業、選擇多任務尋址的腳位與記憶排的多任務地址線、決定A10腳位、設定SDRAM的各種時間參數(請參考上節介紹與SDRAM規格書)、突量數據(burst)的長度、開啟外部多任務尋址、延長SDRAM的控制(命令)時間。

　　6. 按照不同內存控制器的要求，執行SDRAM的初始化程序(下列僅是范例)：

　　● 對所有記憶排，執行PRECHARGE命令1次。

　　● 執行CBR REFRESH命令8次。

　　● 執行MODE REGISTER WRITE命令1次。

　　● 啟動刷新服務，讓SDRAM進入正常作業狀態中。

　　轉譯備份緩沖器

　　“轉譯備份緩沖器(Translation Lookaside Buffer;TLB)”保存著最近才被使用的“分頁表項目(page table entry;PTE)”。PTE是一種數據結構，包含著可以將“有效地址”轉譯成“實體地址”的信息。PTE是以分頁為一個儲存單位，一個分頁是4 KBytes。通常，32-bit處理器的一個PTE含有8 Bytes的信息，而64-bit處理器的一個PTE含有16 Bytes的信息。

　　通常，TLB是位于“內存管理單元(MMU)”內部，而且又可區分為：指令MMU內的“指令TLB(ITLB)”、數據MMU內的“數據TLB(DTLB)”。它們和外部內存的關系很密切，所以，在完成SDRAM的初始化作業之后，通常會令全部的PTE無效，并關閉指令緩沖器(I Cache)和數據緩沖器(D Cache)，以清除所有殘留的數據。

　　結 語

　　內存的控制方式在系統開機時就被決定了。因此，如果要對SDRAM進行硬件線路的除錯驗證，都必須在開機程序(boot code)中進行。若不了解SDRAM的規格和SoC處理器的內存控制方式，這個除錯工作將會變得很困難。