利用FPGA实现MMC2107与SDRAM接口设计

利用FPGA实现MMC2107与SDRAM接口设计

摘要：介绍基于现场可编程门阵列（FPGA），利用VHDL语言设计实现MMC2107与SDRAM接口电路。文中包括MMC2107组成结构、SDRAM存储接口结构和SDRAM控制状态机的设计。

引言

在嵌入式系统中，微控制器中通常有一定容量的存储器，用来存放程序和数据，但由于片内存储器受器件规模和生产成本的制约，其容量通常不能满足用户实际需求，还需要使用半导体存储器件来扩展存储空间。如果采用SDRAM进行存储扩展，可以大幅度地降低系统设计成本；但SDRAM控制时序比较复杂，给系统设计带来很大困难。为了方便使用SDRAM，实现嵌入式系统中存储的大容量扩展，本文介绍一种新颖的解决方案：采用FPGA技术和VHDL语言，实现MMC2107微控制器与SDRAM的接口设计。

1 SDRAM内部结构

SDRAM是一种具有同步接口的高速动态随机存储器。本文语选用的是三星公司生产的32M×8位SDRAM器件K4S560832A。K4S560832A存储总容量256M位，内部分成4个全，每个体8M字节，内部结构如图1所示。

K4S560832A为了能满足各种系统的使用要求，提供了时钟频率、猝发长度、延时节拍等可编程参数。在芯片上电后可以通过地址线A12～A0配置，芯片只有在完成配置后才能进入正常工作状态。在具体操作SDRAM时，首先，必须进行初始化配置，即写模式寄存器，以便确定DRAM列选延迟节拍数、猝发类型、猝发长度等工作模式。然后通过ACT命令激活对应地址的组，同时输入行地址。最后，通过RD或WR命令输入列地址，将相应数据读出或写入到对应的地址。操作完成后，用相关命令中止读或写操作。在没有操作的时候，每64ms必须对所有存储单元刷新一遍（8192行），防止数据丢失。

图1 K4S560832A内部结构

2 MMC2107组成结构及外部总线接口

MMC2107是32位M-CORE系列MCU，是以M210microRISC核为CPU，最高系统时钟可达33MHz；在MIPS。MMC2107是基于M210 CPU的、通用MCU系列中的第一个成员，具有很低的功耗；在主模式下，以最大系统时钟运行，并且片内所有模块全部处于运行状态时，最大的工作电流为200mA，特别适合于由电池供电的应用场合。MMC2107的组成框图如图2所示。

从图2可以看出，MMC2107片内除了M210核以外，主要还有128KB Flash、8KB SRAM、外部总线接口、时钟模块、复位模块、M-CORE到IPBUS之间的接口、中断控制器模块、8位边沿端口苇、2个可编程间隔定时器（PIT1和PIT2）、看门狗定时器WDT、2个定时器模块（TIM1和TIM2）、串行外围接口SPI、2个串行通信接口（SCI1和SCI2）、ADC模块、多个通用的输入/输出信号、TAP控制器等功能及模块。

MMC2107在主模式和仿真模式下，支持MCORE访问外部的存储器或设备。这时，M-CORE的本地总线（内部总线）扩展到片外，由外部总线接口（EBI）负责控制M-CORE局部总线和外地址空间之间的信息传送。EBI有23位地址总线A[22:0]和4个片选信号CS[3:0]，使M-CORE的外部存储存储器地址空间可达32MB。EBI的数据传送宽度可以是32位的，也可以是16位的，可以由片选模块按4个片选通道分别予以设定，即片选通道0～3可各自编程选定。为了便于与各种速度的外设备相连，EB1在片选模块的控制下，可以形成所需长度的外总线周期。在EBI发起一个外部数据传送以后，EBI驱动并保持传送所需的各种信号，直到该总线周期结束。使EBI结束现行总线周期的方法有两种：EBI收到了由外逻辑发来的传送响应信号TA或TEA，或者收到了内部传送响应信号，片选模块可以为4个片选通道分别选择总线周期结束的方法。

图2 MMC2107组成框图

3 FLEX10K系列FPGA

随着深亚微米VLSI技术的迅速发展，FPGA/CPLD等可编程器件的资源有极大的发展。尤其是FPGA，器件的集成度已达到上千万门，系统工作频率已达到几百MHz。FLEX10K系列FPGA是工业界第一个嵌入式的可编程逻辑器件。由于其具有高密度、低成本、低功率等特点，所以脱颖而出成为当今Altera CPLD中应用前景最好的器件系列。到目前为止，FLEX 10K系列已经推出了FLEX10K、FLEX10KA、FLEX10KB、FLEX 10KV和FLEX10KE等5种分支系列，其集成度也达到前所未有的250 000门。FLEX10K主要由嵌入式阵列块（EAB）、逻辑阵列块（LAB）、快速布线通道（FastTrack）和I/O单元组成，具有如下特点：

①片上集成了实现宏函数的嵌入式阵列和实现普通函数的逻辑阵列；

②高密度，具有10 000～250 000个可用门；

③支持多电压（multivolt）I/O接口，低功耗，遵守全PCI总线规定，内带JTAG边界扫描测试电路；

④通过外部EPROM、集成控制器或JTAG接口实现在电路可重构（ICR）；

⑤快速、可预测连线延时的快速通道连续式布线结构；

⑥实现高速、多输入逻辑函数的专用级联链；

⑦增强功能的I/O引脚，每个引脚都有一个独立的三态输出使能控制，都有漏极开路选择；

⑧具有快速建立时间和时钟到输出延时的外部寄存器；

⑨多种封装方式可任意选择。

本文所采用的FLEX 10K系列器件是FLEX 10KA EPF10K30AQC240引脚器件。

图3 SDRAM存储系统基本结构 图4 SDRAM存储器初始化状态机

4 MMC2107微控制器SDRAM接口设计

本文介绍MMC2107外部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

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