CN105279116B - 基于fpga的ddr控制器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的DDR控制器及控制方法。该控制器包括：状态机，被配置为用于完成DDR控制器的时序控制功能，实现对DDR存储器的访问，并根据访问要求在相应的状态之间进行切换；配置控制单元，被配置为用于对DDR存储器寄存器在开机上电时进行配置；激活控制单元，被配置为用于对DDR存储器的数据阵列进行激活；读写控制单元，被配置为用于对外部访问进行同步处理，给出读写标志，并判断是猝发读写还是单周期读写；预充控制单元，被配置为用于完成对激活后的行单元进行无效操作；刷新控制单元，被配置为用于对数据阵列进行充电；端口控制单元，被配置为用于实现数据总线、地址总线和控制总线的端口锁存。本发明利于解决DDR存储器的控制问题。

Description

基于FPGA的DDR控制器及控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于FPGA的DDR控制器、以及一种基于FPGA的DDR控制方法。

背景技术

DDR存储器具有小型化和大容量等特点，作为数据存储器广泛应用于CPU系统、数据采集系统等领域。在数据采集系统领域主要用作数据缓存，如何实现对DDR存储器的控制，使其能够满足数据缓存要求，通常采用FPGA内核生成器，实现对DDR存储器的控制，完成DDR存储器的读写、刷新、预充、上电配置等操作。FPGA内核作为厂家自带专用IP核，一方面会向用户收取费用，增加用户成本，另一方面使用起来不够灵活，只能作为通用数据缓存控制接口使用，对于特殊使用很难满足要求，同时采用IP核FPGA的管脚固定，不能灵活配置，对于印制版布局布线提出了很高的要求。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于FPGA的DDR控制器，其采用如下技术方案：

基于FPGA的DDR控制器，包括：

状态机，被配置为用于完成DDR控制器的时序控制功能，实现对DDR存储器的访问，并根据访问要求在相应的状态之间进行切换；

配置控制单元，被配置为用于对DDR存储器寄存器在开机上电时进行配置；

激活控制单元，被配置为用于对DDR存储器的数据阵列进行激活；

读写控制单元，被配置为用于对外部访问进行同步处理，给出读写标志，并判断是猝发读写还是单周期读写；

预充控制单元，被配置为用于完成对激活后的行单元进行无效操作；

刷新控制单元，被配置为用于对数据阵列进行充电；

端口控制单元，被配置为用于实现数据总线、地址总线和控制总线的端口锁存。

进一步，所述状态机包括九种状态，即预充状态、刷新状态、配置状态、激活状态、初始状态、空操作状态、读写状态、猝发读写状态及激活缓冲状态。

进一步，所述配置包括配置内容和配置过程；配置内容包括DDR存储器的猝发长度、猝发起始地址、猝发类型及读缓冲周期的配置，配置内容由配置命令和地址设置组合完成。

进一步，所述猝发读写是指外部连续访问，通过一次操作实现对DDR存储器多个地址单元进行读写数据；单周期读写是指外部访问只对一个地址单元进行读写。

此外，本发明还对应于上述基于FPGA的DDR控制器提出了一种基于FPGA的DDR控制方法，其采用如下技术方案：

基于FPGA的DDR控制方法，包括：

用于完成DDR控制器的时序控制功能，实现对DDR存储器的正确访问，并根据访问要求在相应的状态之间进行切换的步骤；

用于对DDR存储器寄存器在开机上电时进行配置的步骤；

用于对DDR存储器的数据阵列进行激活的步骤；

用于对外部访问进行同步处理，给出读写标志，并判断是猝发读写还是单周期读写的步骤；

用于完成对激活后的行单元进行无效操作的步骤；

用于对数据阵列进行充电的步骤；

用于实现数据总线、地址总线和控制总线的端口锁存的步骤。

此外，本发明还提出了一种状态机访问方法，其采用上述的基于FPGA的DDR控制器，该方法包括如下步骤：

步骤1：系统在上电时对状态机进行复位，将状态机复位到初始状态；

步骤2：初始状态是各个控制单元请求进入状态机的初始入口；

步骤3：配置状态用来完成上电配置，占用3个时钟周期，直接跳转到空操作状态，同时给出应答信号到配置控制单元；

步骤4：在激活状态发出应答信号给激活控制单元，同时进行猝发读写判断；

步骤4－1：激活状态的猝发读写判断，根据读写控制单元控制命令，检测是否是猝发读写：如果不是猝发读写，直接到空操作状态，在空操作状态检测到激活结束命令后，回到初始状态；如果是猝发读写，进入激活缓冲状态；

步骤5：读写状态是外部访问DDR存储器的状态，外部访问在初始激活后由读写控制单元发出读写请求，进入读写状态，同时发出应答信号到读写控制单元；

步骤5－1：读写状态的猝发读写判断，根据读写控制单元判断外部访问是单周期访问还是猝发访问；如果是单周期访问，直接跳转到空操作状态；如果是猝发访问，读写状态进入猝发读写状态；

步骤6：预充状态在外部读写访问结束后，由预充控制单元发出预充请求，进入预充状态，在预充状态发出应答信号到预充控制单元；

步骤6－1：预充状态猝发读写判断：如果是单周期读写，在读写完成后进入空操作状态，使得当前激活的行单元进入关闭状态；如果是猝发读写，不能进行关闭，进入猝发读写状态；

步骤7：刷新由刷新控制单元通过定时器周期性发出，当状态机检测到刷新请求时，进入初始刷新状态，同时给出应答信号；

步骤7－1：刷新状态的猝发读写判断：当检测到猝发读写时，刷新任务进入到猝发读写状态；如果是单周期读写，直接跳转到空操作状态。

本发明具有如下优点：

本发明通过在FPGA内部自主设计DDR控制器，利于解决DDR存储器的控制问题，实现采集数据的缓存；本发明中DDR控制流程在FPGA中完成，占用资源少、修改方便、可移植性强；通过本发明设计的DDR控制器及其控制方法，利于降低技术风险，进而提高印制板布局布线的灵活性，利于解决FPGA内部IP核不可控的技术问题。

附图说明

图1为本发明中DDR控制器原理方案框图；

图2为本发明中状态机的访问流程框图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

结合图1所示，基于FPGA的DDR控制器，包括：

状态机，被配置为用于完成DDR控制器的时序控制功能，实现对DDR存储器的正确访问，并根据访问要求在相应的状态之间进行切换；

配置控制单元，被配置为用于对DDR存储器寄存器在开机上电时进行配置；

激活控制单元，被配置为用于对DDR存储器的数据阵列进行激活；

读写控制单元，被配置为用于对外部访问进行同步处理，给出读写标志，并判断是猝发读写还是单周期读写；

预充控制单元，被配置为用于完成对激活后的行单元进行无效操作；

刷新控制单元，被配置为用于对数据阵列进行充电；

端口控制单元，被配置为用于实现数据总线、地址总线和控制总线的端口锁存。

其中，状态机根据访问命令不同，产生不同的时序组合，实现相应的功能。具体的，

状态机包括九种状态，即预充状态、刷新状态、配置状态、激活状态、初始状态、空操作状态、读写状态、猝发读写状态及激活缓冲状态。

配置包括配置内容和配置过程，配置内容包括存储器的猝发长度、猝发起始地址、猝发类型、读缓冲周期的配置，配置内容由配置命令和地址设置组合完成。配置过程是指配置流程，需要按一定的操作顺序才能实现寄存器的正确配置。

猝发读写是指外部连续访问，通过一次操作实现对DDR存储器多个地址单元进行读写数据；单周期读写是指外部访问只对一个地址单元进行读写。

刷新控制单元用来对数据阵列进行充电。为防止DDR存储器的存储数据丢失，需要定时对DDR存储器的存储单元电荷进行充电，根据刷新周期要求，每隔固定时间启动一次刷新，在相应的时间实现所有行的刷新，刷新操作占用6个时钟周期。

只有当激活控制单元的激活命令有效时，读写控制单元才可以对DDR存储器进行读写操作，每次读写之前都要对所访问的行单元激活。

当预充控制单元的预充命令有效后，不能对行单元进行读写操作，行单元只有预充后，刷新命令才起作用，预充操作占用3个时钟周期。

端口控制单元用来保证总线布线延迟的一致性。对于高速传输设计布线延迟是时序同步的关键，在FPGA内部通过采用同步设计，总线延迟可以保证。通过端口锁存总线，可以有效降低FPGA和存储器的布线难度，在基本等长的情况下，确保多路总线的信号完整性，使得总线时序满足设计要求，能够正确捕获。

上述六个控制单元对状态机访问采用三级结构访问模式，即访问请求、访问应答、访问结束。访问请求由各个控制单元发出，当状态机检测到访问请求时，并且自己处于访问初始状态时，给出访问应答，控制单元检测到访问应答握手信号后，根据自己状态需要占用时钟周期，给出访问结束命令到状态机，状态机检测到访问结束后，结束本次访问，进入到初始状态。状态机访问采用先到先得原则，一旦占用其它访问将会被屏蔽。

此外，本发明还对应于上述基于FPGA的DDR控制器提出了一种基于FPGA的DDR控制方法，其采用如下技术方案：

基于FPGA的DDR控制方法，包括：

用于完成DDR控制器的时序控制功能，实现对DDR存储器的正确访问，并根据访问要求在相应的状态之间进行切换的步骤；

用于对DDR存储器寄存器在开机上电时进行配置的步骤；

用于对DDR存储器的数据阵列进行激活的步骤；

用于对外部访问进行同步处理，给出读写标志，并判断是猝发读写还是单周期读写的步骤；

用于完成对激活后的行单元进行无效操作的步骤；

用于对数据阵列进行充电的步骤；

用于实现数据总线、地址总线和控制总线的端口锁存的步骤。

结合图2所示，本发明中状态机的访问流程为：

步骤1：系统在上电时对状态机进行复位，将状态机复位到初始状态；

步骤2：初始状态是各个控制单元请求进入状态机的初始入口；

步骤3：配置状态用来完成上电配置，占用3个时钟周期，直接跳转到空操作状态，同时给出应答信号到配置控制单元；

步骤4：在激活状态发出应答信号给激活控制单元，同时进行猝发读写判断；

步骤4－1：激活状态的猝发读写判断，根据读写控制单元控制命令，检测是否是猝发读写：如果不是猝发读写，直接到空操作状态，在空操作状态检测到激活结束命令后，回到初始状态；如果是猝发读写，进入激活缓冲状态；

步骤5：读写状态是外部访问DDR存储器的状态，外部访问在初始激活后由读写控制单元发出读写请求，进入读写状态，同时发出应答信号到读写控制单元；

步骤5－1：读写状态的猝发读写判断，根据读写控制单元判断外部访问是单周期访问还是猝发访问；如果是单周期访问，直接跳转到空操作状态；如果是猝发访问，读写状态进入猝发读写状态；

步骤6：预充状态在外部读写访问结束后，由预充控制单元发出预充请求，进入预充状态，在预充状态发出应答信号到预充控制单元；

步骤6－1：预充状态猝发读写判断：如果是单周期读写，在读写完成后进入空操作状态，使得当前激活的行单元进入关闭状态；如果是猝发读写，不能进行关闭，进入猝发读写状态；

步骤7：刷新由刷新控制单元通过定时器周期性发出，当状态机检测到刷新请求时，进入初始刷新状态，同时给出应答信号；

步骤7－1：刷新状态的猝发读写判断：当检测到猝发读写时，刷新任务进入到猝发读写状态；如果是单周期读写，直接跳转到空操作状态。

猝发读写状态涉及到行单元的开启和关闭，以及预充、刷新操作，在猝发读写状态需要对行单元进行优先级设计，行单元一旦被激活，将只用作读写操作使用，不能进行刷新和预充操作。由于猝发读写在读写命令有效时只占用一个时钟周期，猝发命令结束后，地址总线、控制总线释放，只有数据线有效，激活、预充、刷新不占用数据总线，只需要地址总线和控制总线，因此在猝发读写阶段，并不影响其它行单元的激活、预充和刷新。但要控制好时序的优先级，确保猝发有效，其它访问有效。

空操作状态是在访问结束后进入的一种状态，访问命令通常占用一个时钟周期，但是访问周期通常有几个时钟周期，在访问周期内为了阻止别的访问有效，进入空操作状态，在检测到访问结束后，进入初始状态，等待下次访问。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (1)

1.状态机访问方法，基于FPGA的DDR控制器，该DDR控制器包括：

状态机，被配置为用于完成DDR控制器的时序控制功能，实现对DDR存储器的访问，并根据访问要求在相应的状态之间进行切换；

状态机包括九种状态，即预充状态、刷新状态、配置状态、激活状态、初始状态、空操作状态、读写状态、猝发读写状态及激活缓冲状态；

配置控制单元，被配置为用于对DDR存储器寄存器在开机上电时进行配置；

激活控制单元，被配置为用于对DDR存储器的数据阵列进行激活；

读写控制单元，被配置为用于对外部访问进行同步处理，给出读写标志，并判断是猝发读写还是单周期读写；

预充控制单元，被配置为用于完成对激活后的行单元进行无效操作；

刷新控制单元，被配置为用于对数据阵列进行充电；

端口控制单元，被配置为用于实现数据总线、地址总线和控制总线的端口锁存；

其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：系统在上电时对状态机进行复位，将状态机复位到初始状态；

步骤2：初始状态是各个控制单元请求进入状态机的初始入口；

步骤3：配置状态用来完成上电配置，占用3个时钟周期，直接跳转到空操作状态，同时给出应答信号到配置控制单元；

步骤4：在激活状态发出应答信号给激活控制单元，同时进行猝发读写判断；

步骤4－1：激活状态的猝发读写判断，根据读写控制单元控制命令，检测是否是猝发读写：如果不是猝发读写，直接到空操作状态，在空操作状态检测到激活结束命令后，回到初始状态；如果是猝发读写，进入激活缓冲状态；

步骤5：读写状态是外部访问DDR存储器的状态，外部访问在初始激活后由读写控制单元发出读写请求，进入读写状态，同时发出应答信号到读写控制单元；

步骤5－1：读写状态的猝发读写判断，根据读写控制单元判断外部访问是单周期访问还是猝发访问；如果是单周期访问，直接跳转到空操作状态；如果是猝发访问，读写状态进入猝发读写状态；

步骤6：预充状态在外部读写访问结束后，由预充控制单元发出预充请求，进入预充状态，在预充状态发出应答信号到预充控制单元；

步骤6－1：预充状态猝发读写判断：如果是单周期读写，在读写完成后进入空操作状态，使得当前激活的行单元进入关闭状态；如果是猝发读写，不能进行关闭，进入猝发读写状态；

步骤7：刷新由刷新控制单元通过定时器周期性发出，当状态机检测到刷新请求时，进入初始刷新状态，同时给出应答信号；

步骤7－1：刷新状态的猝发读写判断：当检测到猝发读写时，刷新任务进入到猝发读写状态；如果是单周期读写，直接跳转到空操作状态。