基于嵌入式系統(tǒng)中DRAM控制器的CPLD解決方案
摘要： 介紹怎樣在嵌入式CPU 80C186XL DRAM刷新控制單元的基礎(chǔ)上，利用CPLD技術(shù)和80C196XL的時(shí)序特征設(shè)計(jì)一個(gè)低價(jià)格、功能完整的DRAM控制器的方法，并采用VHDL語言編程實(shí)現(xiàn)。
Abstract：
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摘要：介紹怎樣在嵌入式CPU 80C186XL DRAM刷新控制單元的基礎(chǔ)上，利用CPLD技術(shù)和80C196XL的時(shí)序特征設(shè)計(jì)一個(gè)低價(jià)格、功能完整的DRAM控制器的方法，并采用VHDL語言編程實(shí)現(xiàn)。
80C186XL16位嵌入式微處理器是Intel公司在嵌入式微處理器市場的上導(dǎo)產(chǎn)品之一，已廣泛應(yīng)用于電腦終端、程控交換和工控等領(lǐng)域。在該嵌入式微處理器片內(nèi)，集成有DRAM RCU單元，即DRAM刷新控制單元。RCU單元可以自動產(chǎn)生DRAM刷新總線周期，它工作于微處理器的增益模式下。經(jīng)適當(dāng)編程后，RCU將向?qū)⑻幚砥鞯腂IU（總線接口）單元產(chǎn)生存儲器讀請求。對微處理器的存儲器范圍編程后，BIU單元執(zhí)行刷新周期時(shí)，被編程的存儲器范圍片選有效。
存儲器是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分之一。通常采用靜態(tài)存儲器，但是在系統(tǒng)需要大容量存儲器的情況下，這種方式將使成本猛增。如果采用DRAM存儲器，則可以大幅度降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本；但DRAM有復(fù)雜的時(shí)序要求，給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了很大的困難。
為了方便地使用DRAM，降低系統(tǒng)成本，本文提出一種新穎的解決方案：利用80C186XL的時(shí)序特征，采用CPLD技術(shù)，并使用VHDL語言設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)DRAM控制器。
一、80C186XL RCU單元的資源
80C186XL的BIU單元提供20位地址總線，RCU單元也為刷新周期提供20位地址總線。80C186XL能夠產(chǎn)生刷新功能，并將刷新狀態(tài)編碼到控制信號中。
圖1是RCU單元的方框圖。它由1個(gè)9位遞減定時(shí)計(jì)數(shù)器、1個(gè)9位地址計(jì)數(shù)器、3個(gè)控制寄存器和接口邏輯組成。當(dāng)RCU使能時(shí)，遞減定時(shí)計(jì)數(shù)器每一個(gè)CLKOUT周期減少1次，定時(shí)計(jì)數(shù)器的值減為1時(shí)，則產(chǎn)生刷新總線請求，遞減定時(shí)計(jì)數(shù)器重載，操作繼續(xù)。刷新總線周期具有高優(yōu)先級，旦80C186XL總線有空，就執(zhí)行刷新操作。
設(shè)計(jì)者可將刷新總線周期看成是“偽讀”周期。刷新周期像普通讀周期一樣出現(xiàn)在80C186XL總線上，只是沒有數(shù)據(jù)傳輸。從引腳BHE/RFSH和A0的狀態(tài)可以判別刷新周期，如表1所列。刷新總線周期的時(shí)序要求如圖2所示。
表1 刷新周期的引腳狀態(tài)
二、80C186XL DRAM控制器的設(shè)計(jì)與運(yùn)行
DRAM存在著大量、復(fù)雜的時(shí)序要求，其中訪問時(shí)間的選擇、等待狀態(tài)以及刷新方法是至關(guān)重要的。DRAM控制器必須正確響應(yīng)80C186XL的所有總線周期，必須能將DRAM的部周期和其它訪問周期分辨出來，其訪問速度必須足夠快，以避免不必要的等待周期。
在設(shè)計(jì)時(shí)，我們采用XC95C36-15 CPLD以及4Mbits的V53C8258[3]DRAM作范例。15ns的CPLD，速度相對較高，價(jià)格比較便宜。用它設(shè)計(jì)成的DRAM控制器允許80C186XL的工作速度高達(dá)20MHz，并且XC95C36有異步時(shí)鐘選擇項(xiàng)。這種特性對本設(shè)計(jì)有很大的好處。
DRAM控制器由80C186XL狀態(tài)信號S2、S1和S0的解碼來檢測總線的開始、類型和結(jié)束。這些狀態(tài)線是在CLKOUT的上升沿開始有效，在CLKOUT的下降沿失效的。DRAM控制器發(fā)出的RAS和CAS信號應(yīng)該在CLKOUT的下降沿同時(shí)有效，行列地址應(yīng)該在CLKOUT上升沿附近提供。
DRAM控制器應(yīng)該在CLKOUT的兩個(gè)沿都應(yīng)能正常操作。通過啟用XC95C36的異步時(shí)鐘選擇項(xiàng)，每個(gè)XC95C36宏單元可以從可編程與陣列獲得時(shí)鐘。DRAM控制器使用80C186XL的CLKOUT信號作時(shí)鐘輸入。
DRAM控制器主要由兩個(gè)相互聯(lián)的狀態(tài)機(jī)構(gòu)成。這兩個(gè)狀態(tài)機(jī)，使得DRAM的控制與80C186XL是否進(jìn)行等待狀態(tài)無關(guān)。狀態(tài)機(jī)A和地址多路控制信號（MUX）在CLKOUT的上升沿鎖存。狀態(tài)機(jī)B和RAS及CAS的邏輯在CLKOUT的下降沿鎖存。DRAM控制器完整的VHDL語言的源代碼可Email給cnhsx@sina.com索取。
DRAM控制器的狀態(tài)圖如圖4所示，狀態(tài)機(jī)A和B的起始條件分別是A0和B0。狀態(tài)機(jī)A初始化DRAM控制器的序列，狀態(tài)機(jī)B終止該序列。
在T2的下降沿，RAS邏輯采樣狀態(tài)機(jī)A的狀態(tài)，鎖存的地址線和總經(jīng)狀態(tài)信號。如果狀態(tài)機(jī)A在A1狀態(tài)（存儲器讀、寫或刷新周期）并且總線周期為DRAM使用，則XC95C36插入RAS信號。
在T2的上升沿，狀態(tài)機(jī)A也采樣鎖存的地址線。如果總線周期被DRAM占用，狀態(tài)機(jī)A將從狀態(tài)A1轉(zhuǎn)移到A2，否則狀態(tài)機(jī)A轉(zhuǎn)換到A3。至此控制轉(zhuǎn)移到狀態(tài)機(jī)B。MUX邏輯采樣RAS和BHE引腳的狀態(tài)。如果RAS有效（指示DRAM在訪問），并且總線周期下是刷新周期，XC95C36將插入MUX。MUX在行列地址之間切換，以便進(jìn)行DRAM的讀寫操作。
在T3的下降沿，狀態(tài)機(jī)B采樣狀態(tài)機(jī)A。如果狀態(tài)機(jī)A處于狀態(tài)A2（DRAM訪問）或狀態(tài)A3（存儲器讀或?qū)懀皇荄RAM訪問），狀態(tài)機(jī)B從狀態(tài)B0轉(zhuǎn)到B1。如果總線周期是一個(gè)DRAM訪問周期，XC95C36繼續(xù)保持RAS有效。CAS邏輯采樣MUX的狀態(tài)、鎖存地址A0、BHE和總線周期狀態(tài)。如果MUX有效（指示DRAM讀或?qū)懀⑶以L問低字節(jié)，則XC95C36插入LCAS；如果MUX有效，并且微處理器訪問高字節(jié)，XC95C36插入U(xiǎn)CAS。DRAM讀訪問和DRAM刷新訪問不同之處在于：對刷新來說，不需要MUX、UCAS和LCAS。
在T3的上升沿，狀態(tài)機(jī)A等待狀態(tài)機(jī)B中斷此序列。如果MUX有效（DRAM讀或?qū)懀鼘⒈３钟行А?/div>
有下一個(gè)降沿，狀態(tài)機(jī)B采樣總線狀態(tài)信號。如果狀態(tài)信號仍然有效，則此狀態(tài)為等待狀態(tài)Tw，狀態(tài)機(jī)B保持在狀態(tài)B1。如果這個(gè)狀態(tài)是等待狀態(tài)，并且RAS有效（DRAM訪問），RAS保持有效；如果狀態(tài)為等待狀態(tài)，并且UCAS和LCAS有效（DRAM讀或?qū)懀琔CAS和LCAS保持有效。
在等待狀態(tài)的上升沿，狀態(tài)機(jī)A繼續(xù)等待狀態(tài)機(jī)B來中斷此序列。如果MUX有效（DRAM讀或?qū)懀瑒t它在T3狀態(tài)里保持有效。
如果微處理器狀態(tài)信號無效，這個(gè)狀態(tài)則是一個(gè)T4狀態(tài)，狀態(tài)機(jī)B從B1轉(zhuǎn)到B2.如果狀態(tài)是一個(gè)T4狀態(tài)，并且RAS有效（DRAM訪問），則RAST4狀態(tài)，并且RAS有效（DRAM訪問），則RAS邏輯也檢測無效狀態(tài)信號，并且XC95C36關(guān)閉RAS信號；如果狀態(tài)是一個(gè)T4狀態(tài)，并且UCAS和LCAS有效（DRAM讀或?qū)懀瑒tCAS邏輯也采樣總線狀態(tài)信號；如果狀態(tài)信號無效，則XC95C36關(guān)閉UCAS和LCAS信號。
在T4的上升沿，狀態(tài)機(jī)A采樣狀態(tài)機(jī)B的狀態(tài)。在狀態(tài)機(jī)B處于B2狀態(tài)的情況下，狀態(tài)機(jī)A從A2狀態(tài)（DRAM訪問）或A3狀態(tài)（存儲器讀或?qū)懀皇荄RAM訪問）轉(zhuǎn)到A0。如果MUX有效，MUX邏輯檢查RAS的狀態(tài)；如果RAS無效（指示一個(gè)終止周期），XC95C36關(guān)閉MUX。
在下一個(gè)CLKOUT下降沿，狀態(tài)機(jī)B無條件地從狀態(tài)B2轉(zhuǎn)到B0，終止DRAM序列。控制轉(zhuǎn)移給狀態(tài)機(jī)A。
三、80C186XL RCU單元的編程
要使DRAM正常工作，就必須對80C186XL中與DRAM刷新有關(guān)的寄存器進(jìn)行正確編程。這些寄存器包括：刷新時(shí)鐘間隔寄存器（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）。
刷新時(shí)鐘間隔寄存器（RFTIME寄存器）的編程公式為：Trefresh×fcpu/（Rrow+Rrows×補(bǔ)償因子）。V53C8258的技術(shù)參數(shù)規(guī)定，其刷新周期Trefresh為8ms，存儲陣列行數(shù)Rrows為512。考慮到RCU取得總線控制權(quán)的延時(shí)，補(bǔ)償因子取0.05。因此，微處理器在fcpu=20MHz工作頻率下，RFTIME寄存器的取值為：0.008×20×10 6/（512+512×0.05），約為297.
刷新基地址寄存器（RFBASE寄存器）的編程。該寄存器的高7位，規(guī)定了DRAM容量大小。系統(tǒng)使用兩片V53C8258情況下，RFBASE的取值為00H，DRAM占用微處理器的存儲空間的00000H～7FFFFH（512KB）。
最后通過將刷新控制寄存器（RFCON寄存器）的REN位置位，來啟動刷新控制單元。
若使用80C186XL的節(jié)電模式，則要求重新編程這些值。在寫節(jié)電控制寄存器前，必須先用要時(shí)鐘分頻值去除原先設(shè)置在刷新間隔寄存器的值，來重新設(shè)置寄存器。
四、結(jié)束語
現(xiàn)在DRAM、CPLD的價(jià)格非常低，這樣設(shè)計(jì)者有機(jī)會在嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮采用DRAM。80C186XL嵌入式微處理器廣泛應(yīng)用于嵌入式計(jì)算機(jī)、程控通信和工業(yè)控制系統(tǒng)中，具有良好的性價(jià)比，其性能和功能是80C31、80C196等單片機(jī)無法比擬的，并能充分利用大量的PC平臺軟件。本解決方案已在家庭電子證券產(chǎn)品中采用，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
掌握CPLD技術(shù)和VHDL語言設(shè)計(jì)技巧是提升產(chǎn)品技術(shù)含量的重要途徑。上述CPLD還留在一些引腳和內(nèi)部資源未使用，只要設(shè)計(jì)者將VHDL源代碼稍微作一些修改，就可以用這些引腳控制新增加的DRAM，提供總線準(zhǔn)備輸出信號或DMA響應(yīng)信號。
如果采用引腳數(shù)和宏單元較多的XC9672或XC95108CPLD，就可以將D觸發(fā)器（74HC74）、多路地址切換器（74HC157）、數(shù)據(jù)收發(fā)器（74HC245）和地址總線鎖存器（74HC373）等其它分立邏輯器件的功能全部集成到CPLD中，這樣系統(tǒng)集成度和可靠性將更加提高。
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