CN106571156B - 一种高速读写ram的接口电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明介绍一种高速读写RAM的接口电路及方法,涉及到芯片仿真调试领域。本发明实现一个从设备的并行读写接口，包括数据总线和控制信号，控制信号包括时钟信号、读写信号、命令使能信号，接口电路包括IO接口模块、寄存器控制模块、RAM接口模块3部分组成，支持三种操作：配置地址操作、连续读RAM操作、连续写RAM操作。芯片仿真器通常采用RAM来仿真芯片的FLASH、EEPROM、ROM、RAM等存储器，本发明设计一种高速读写RAM的接口电路，可以加快芯片程序调试速度，提升开发效率。

Description

一种高速读写RAM的接口电路及方法

技术领域

本发明涉及一种数据并行读写的接口电路，主要应用于芯片仿真调试领域，特别涉及高速读写RAM的接口电路及方法。

背景技术

对于智能卡芯片，通常采用RAM来仿真芯片的FLASH、EEPROM、ROM、RAM等存储器，仿真芯片的调试接口对RAM的读写速度直接影响到调试速度。调试接口在仿真器中常采用JTAG、UART等串行接口实现，这些串行接口数据访问速度慢，对大容量存储器数据的访问速度需要提升。为实现动态、实时访问芯片存储器，有必要设计独立于CPU和存储器之间的读写通道，以方便仿真和快速调试。为解决此问题，本发明设计一种高速读写RAM的并行接口电路并提出实现。

发明内容

本发明所解决的技术问题是，如何设计一种高速读写RAM的接口电路。本发明采用多根数据总线的并行接口，在一个时钟周期可以读出更多的数据。

本发明的接口电路，实现一个从设备的并行接口，包括数据总线IO_DATA和3个控制信号。数据总线信号个数(即数据总线位宽)，建议为字节的整数倍，根据实际电路接口信号线IO个数来确定，数据总线位宽越宽，对RAM读写速度越快，但对IO数要求越高。控制信号包括时钟信号I_CLK、读写信号I_R/W_n、命令使能信号I_CMD 3个信号，与数据总线一起，通过特定的时序实现对RAM的高速访问。

所述的接口电路包括：IO接口模块、寄存器控制模块、RAM接口模块三部分；

各组件功能说明如下：

IO接口模块，在读写信号I_R/W_n控制下实现IO_DATA的输入和输出功能，产生输入数据i_data和输出数据o_data；

寄存器控制模块，实现模式寄存器sfr_mode、高位地址寄存器sfr_addr_h、低位地址寄存器sfr_addr_l三个寄存器的写操作；模式寄存器用于记录当前的工作模式，高位地址寄存器存储访问RAM的高位地址，并产生RAM选择信号，实现对多块RAM的选择访问，低位地址寄存器存储访问RAM的低位地址，RAM的高位地址和RAM的低位地址一起组成访问RAM的地址信号ram_addr；设置sfr_mode要求在一个时钟周期完成，sfr_mode的长度不能大于数据总线IO_DATA位宽；sfr_addr_h和sfr_addr_l的长度，建议为字节的整数倍，例如设计为16bit，组成32bit地址信号ram_addr，可能访问4G的RAM容间，在一个或多个时钟周期完成这两个寄存器的设置。

RAM接口模块，包括：时序接口模块，片选ram_ceb的选择逻辑，地址信号ram_addr的选择逻辑与信号ram_dout的选择逻辑四部分，RAM接口模块用于生成读写RAM的接口信号，实现对多块RAM的选择操作，并将读到的信号ram_dout通过IO接口模块输出到数据总线IO_DATA；

各组件连接关系如下：

I_R/W_n连接到IO接口模块，I_CLK、I_R/W_n、I_CMD连接到寄存器控制模块，I_CLK、I_R/W_n连接到RAM接口模块，IO接口模块输出的i_data连接到寄存器控制模块，IO接口模块输入的o_data连接到RAM接口模块；

寄存器控制模块中的sfr_mode与RAM接口模块中的时序接口模块相连，通过I_CMD选择i_data产生的ram_data与RAM接口模块中的时序接口模块相连，寄存器控制模块中的sfr_addr_h、sfr_addr_l与RAM接口模块相连。本发明的接口电路，实现3种操作方式：配置地址操作、连续读RAM操作、连续写RAM操作。配置地址操作用于设置高位地址寄存器sfr_addr_h；连续读RAM操作和连续写RAM操作用于实现对RAM的读写。连续读RAM操作和连续写RAM操作，要先设置低位地址寄存器sfr_addr_l，再进行对RAM的连续读或写操作，每进行一次读或写操作，sfr_addr_l的值自动加一，而sfr_addr_h保持不变，sfr_addr_h只能通过配置地址操作改写。

高位地址寄存器sfr_addr_h有两个功能，一个功能是产生RAM选择信号，在写RAM操作时选中一块或多块RAM，支持对多块RAM同时写相同数据的操作，在读RAM操作时每次只能选中一块RAM，通过更改高位地址寄存器实现对所有RAM轮询操作；；另一个功能是产生RAM的高位地址，将RAM操作的高位地址固定，连续读RAM操作和连续写RAM操作实现对低位地址存储空间的读写操作，不用频繁设置高位地址节省通讯和操作的时间。。

本发明的接口电路，实现4种工作模式：ADDR模式、MEMRD模式、MEMWR模式、IDLE模式，当I_R/W_n为低电平且I_CMD为高电平时，在I_CLK上升沿将输入数据i_data写入模式寄存器sfr_mode实现模式切换。ADDR模式下执行“配置地址操作”，MEMRD模式下执行“连续读RAM操作”，MEMWR模式下执行“连续写RAM操作”，IDLE模式用于停止“连续读RAM操作”和停止“连续写RAM操作”，以便开始另一种操作方式。

本发明的接口电路，实现一个带有时钟信号I_CLK的并行接口，在每一个I_CLK周期完成一次对RAM的读或写操作，支持连续读和连续写操作，通过调整I_CLK的频率和数据总线IO_DATA的位宽提升对RAM的读写速度。

本发明的接口电路，实现一个带有读写信号I_R/W_n的并行接口，由主设备控制I_R/W_n通过IO接口模块实现IO_DATA读写操作，通讯过程不会产生IO_DATA上的电平冲突。I_R/W_n高电平表示读操作，低电平表示写操作，只有在“连续读RAM操作”读数据的周期I_R/W_n才会出现高电平。在I_CLK的下降沿I_R/W_n变为高电平，紧临的I_CLK的上升沿读取数据；主设备完成所有数据读出后，将I_R/W_n在I_CLK的下降沿设为低电平，之后接口电路停止对RAM的读操作。

本发明的接口电路，实现一个带有命令使能信号I_CMD的并行接口，在I_R/W_n为低电平时，I_CLK采集I_CMD由高变低后才能启动一次操作；当I_R/W_n为低电平且I_CMD为高电平时，在I_CLK上升沿修改sfr_mode会终止当前的操作。

本发明的一种高速读写RAM的方法，应用于本发明的接口电路，实现如下操作

1)按以下步骤实现配置地址操作：

步骤1，工作模式设置为ADDR模式；

步骤2，按sfr_addr_h的数据长度分多次连续输入高位地址，要求先写入高字节，当最后一次写入后，sfr_addr_h自动更新，此后再输入数据无效。

2)按以下步骤实现连续读RAM操作：

步骤1，工作模式设置为MEMRD模式；

步骤2，按sfr_addr_l的数据长度分多次连续输入低位地址，要求先写入高字节；

步骤3，连续读出RAM数据；

步骤4，工作模式设置为IDLE模式，终止当前操作。

3)按以下步骤实现连续写RAM操作：

步骤1，工作模式设置为MEMWR模式；

步骤2，按sfr_addr_l的数据长度分多次连续输入低位地址，要求先写入高字节；

步骤3，连续向RAM写入数据；

步骤4，工作模式设置为IDLE模式，终止当前操作。

附图说明

图1是高速读写RAM的接口电路结构图。

图2是配置地址操作时序图。

图3是连续读RAM操作时序图。

图4是连续写RAM操作时序图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明接口电路进行详细说明。

如图1所示,接口电路实现一个并行接口，包括3个输入控制信号I_CLK、I_R/W_n、I_CMD，和一组双向的数据总线IO_DATA，图中IO_DATA[n]表示第n线数据信号线。接口电路包括：IO接口模块、寄存器控制模块、RAM接口模块3部分；

IO接口模块，在输入的I_R/W_n控制下实现IO_DATA的输入和输出功能，将IO_DATA转成输入数据i_data送到寄存器控制模块，并将RAM接口模块产生的信号ram_dout输出到IO_DATA。

寄存器控制模块，在输入的I_R/W_n为低电平，I_CMD为高电平时，将i_data写入sfr_mode，修改工作模式；在I_R/W_n和I_CMD都为低电平时，在sfr_mode为ADDR模式下，将i_data写入sfr_addr_h；在I_CMD为低电平时，在sfr_mode为MEMRD模式下，先将I_R/W_n设低电平，将i_data写入sfr_addr_l，之后将I_R/W_n设高电平，由RAM接口模块产生连续读RAM操作；在I_R/W_n和I_CMD都为低电平时，在sfr_mode为MEMWR模式下，先将i_data写入sfr_addr_l，将i_data输出到RAM接口模块中的“时序接口模块”，由此模块将i_data写入RAM。sfr_addr_h产生RAM选择信号，选中一块或多块RAM进行操作，同时产生RAM的高位地址，由sfr_addr_l产生RAM的低位地址。

RAM接口模块，只在MEMRD和MEMWR模式下此模块工作，产生RAM接口时序完成对RAM读写访问。“时序接口模块”输出ram_clk/ram_web/ram_din到所有的RAM接口，见图中RAM1、RAM2、……、RAMn，RAMn表示连接的第n块RAM。输出的ram_ceb信号，经过sfr_addr_h输出RAM选择信号的控制，产生各块RAM的片选信号；连续读RAM操作时，在sfr_addr_h输出RAM选择信号的控制下，只有一块RAM输出数据连接接到信号ram_dout。在RAM接口模块中，RAM的高位地址与RAM的低位地址一起组成RAM地址信号ram_addr，输出到所有的RAM接口。

图2、图3、图4为具体实施方式操作时序说明举例，IO_DATA按8bit位宽设计，sfr_mode长度为8bit，sfr_addr_h和sfr_addr_l的长度均为16bit。

如图2所示，为配置地址操作时序图。此操作I_R/W_n一直为低电平。I_CMD为高电平表示IO_DATA总线上为命令，IO_DATA设为ADDR模式，在I_CLK的上升沿sample1时刻，写入sfr_mode。在I_CLK的下降沿sample2时刻，I_CMD设为低电平，表示后续IO_DATA总线上为数据。在紧临的两个时钟周期，依次输入高字节地址Addr H1，低字节地址Addr H0，在紧临的下一个时钟周期，I_CLK的上升沿sample4时刻，Addr H1和Addr H0合并为Addr H1H0写入sfr_addr_h，完成一次配置地址操作。之后，只要I_CMD为低电平，I_R/W_n和IO_DATA的数据变化都无效，直到I_CMD变为高电平对sfr_mode再次操作。

如图3所示，为连续读RAM操作时序图。I_R/W_n设为低电平，I_CMD设为高电平，在I_CLK的上升沿sample1时刻，设置sfr_mode为MEMRD。在I_CLK的下降沿sample2时刻，I_CMD设为低电平，依次输入高字节地址Addr L1，低字节地址Addr L0，在I_CLK的上升沿sample4时刻，Addr L1和Addr L0合并为Addr L1L0写入sfr_addr_L，和sfr_addr_h中的值AddrH1H0，产生ram_ceb此时变低有效，同时产生地址信号ram_addr信号addr(addr为Addr L1L0中地址位数据作为高位地址，和Addr H1H0作为低16位地址共同组成)。在I_CLK的下降沿sample5时刻，产生ram_clk进行一次读RAM操作，并将I_R/W_n设为高电平，后续在每次I_CLK上升沿完成一次RAM读操作。在半个I_CLK周期后sample7时刻，读出ram_dout的值dout0，此时sfr_addr_L自动加一，ram_addr也跟随自增，以后每个I_CLK的上升沿读到RAM输出信号ram_dout。在I_CLK的上升沿sample8时刻，当完成最后一次读操作后，在I_CLK高电平期间sample9时刻，将I_R/W_n设为低电平，表示后续不再进行读操作。在紧临的I_CLK的上升沿sample11时刻，设置sfr_mode为IDLE，此时ram_ceb变高对RAM选择无效，完成一次连续读RAM操作。整个读RAM操作过程中RAM接口的ram_web一直为高电平表示读操作，输入的ram_din无效。

如图4所示，为连续写RAM操作时序图。此操作I_R/W_n一直为低电平。I_CMD设为高电平，在I_CLK的上升沿sample1时刻，设置sfr_mode为MEMWR。在I_CLK的下降沿sample2时刻，I_CMD设为低电平，依次输入高字节地址Addr L1，低字节地址Addr L0，在I_CLK的上升沿sample4时刻，Addr L1和Addr L0合并为Addr L1L0写入sfr_addr_L。在I_CLK的下降沿sample5时刻，IO_DATA输出要写的数据din 0。在半个I_CLK周期后sample6时刻，sfr_addr_L中的值Addr L1L0和sfr_addr_h中的值Addr H1H0，产生ram_ceb和ram_web，此时两信号变低有效，将IO_DATA中din 0输出到ram_din，并产生地址信号ram_addr信号addr，此时sfr_addr_L自动加一。在半个I_CLK周期后I_CLK的下降沿sample7时刻，产生ram_clk进行一次写RAM操作，以后每个I_CLK的下降沿完成一次RAM写操作。在I_CLK的上升沿sample8时刻，当完成最后一次写操作后，在紧临的I_CLK的上升沿sample9时刻，设置sfr_mode为IDLE，此时ram_ceb变高对RAM选择无效，ram_web也变高，完成一次连续写RAM操作。整个写RAM操作过程中RAM接口输出的ram_dout无效。

Claims (10)

1.一种高速读写RAM的接口电路，其特征在于此电路实现一个从设备的并行接口，包括数据总线IO_DATA和控制信号，其中控制信号包括时钟信号I_CLK、读写信号I_R/W_n、命令使能信号I_CMD，所述的接口电路包括：IO接口模块、寄存器控制模块、RAM接口模块3部分；

各组件功能说明如下：

IO接口模块，在读写信号I_R/W_n控制下实现IO_DATA的输入和输出功能，产生输入数据i_data和输出数据o_data；

寄存器控制模块，实现模式寄存器sfr_mode、高位地址寄存器sfr_addr_h、低位地址寄存器sfr_addr_l三个寄存器的写操作；模式寄存器用于记录当前的工作模式，高位地址寄存器存储访问RAM的高位地址，并产生RAM选择信号，实现对多块RAM的选择访问，低位地址寄存器存储访问RAM的低位地址，RAM的高位地址和RAM的低位地址一起组成访问RAM的地址信号ram_addr；

RAM接口模块，包括：片选信号ram_ceb的选择逻辑、地址信号ram_addr的选择逻辑与信号ram_dout的选择逻辑和时序接口模块，RAM接口模块用于生成读写RAM的接口信号，并将读到的信号ram_dout通过IO接口模块输出到数据总线IO_DATA；上述时序接口模块输出ram_ceb信号；在连续读RAM操作时，上述多块RAM中的一块RAM输出端连接到信号ram_dout；

各组件连接关系如下：

I_R/W_n连接到IO接口模块，I_CLK、I_R/W_n、I_CMD连接到寄存器控制模块，I_CLK、I_R/W_n连接到RAM接口模块，IO接口模块输出的i_data连接到寄存器控制模块，IO接口模块输入的o_data连接到RAM接口模块；

寄存器控制模块中的sfr_mode与RAM接口模块中的时序接口模块相连，通过I_CMD选择i_data产生的信号ram_data与RAM接口模块中的时序接口模块相连，寄存器控制模块中的sfr_addr_h、sfr_addr_l与RAM接口模块相连。

2.根据权利要求1所述的一种高速读写RAM的接口电路，其特征在于实现3种操作方式：配置地址操作、连续读RAM操作和连续写RAM操作，其中，配置地址操作用于设置高位地址寄存器sfr_addr_h；连续读RAM操作和连续写RAM操作用于实现对RAM的读写；连续读RAM操作和连续写RAM操作，要先设置低位地址寄存器sfr_addr_l，再进行对RAM的连续读或写操作，每进行一次读或写操作，sfr_addr_l的值自动加一。

3.根据权利要求1所述的一种高速读写RAM的接口电路，其特征在于实现高位地址寄存器，高位地址寄存器有两个功能，一个功能是产生RAM选择信号，在写RAM操作时选中一块或多块RAM，支持对多块RAM同时写相同数据的操作，在读RAM操作时每次只能选中一块RAM，通过更改高位地址寄存器实现对所有RAM轮询操作；另一个功能是将RAM操作的高位地址固定，连续读RAM操作和连续写RAM操作实现了对低位地址存储空间的读写操作，不用频繁设置高位地址节省通讯和操作的时间。

4.根据权利要求1所述的一种高速读写RAM的接口电路，其特征在于实现4种工作模式：ADDR模式、MEMRD模式、MEMWR模式和IDLE模式，其中，ADDR模式下执行配置地址操作，MEMRD模式下执行连续读RAM操作，MEMWR模式下执行连续写RAM操作，IDLE模式用于停止连续读RAM操作和停止连续写RAM操作。

5.根据权利要求1所述的一种高速读写RAM的接口电路，其特征在于实现一个带有时钟信号I_CLK的并行接口，在每一个I_CLK周期完成一次对RAM的读或写操作，支持连续读和连续写操作，通过调整I_CLK的频率和数据总线IO_DATA的位宽提升对RAM的读写速度。

6.根据权利要求1所述的一种高速读写RAM的接口电路，其特征在于实现一个带有读写信号I_R/W_n的并行接口，由主设备控制I_R/W_n通过IO接口模块实现IO_DATA读写操作，通讯过程不会产生IO_DATA上的电平冲突。

7.根据权利要求1所述的一种高速读写RAM的接口电路，其特征在于实现一个带有命令使能信号I_CMD的并行接口，在I_R/W_n为低电平时，I_CLK采集I_CMD由高变低后才能启动一次操作；当I_R/W_n为低电平且I_CMD为高电平时，在I_CLK上升沿修改sfr_mode会终止当前的操作。

8.一种高速读写RAM的方法，应用于权利要求1所述的接口电路，其特征在于按以下步骤实现配置地址操作：

步骤1，工作模式设置为ADDR模式；

步骤2，按sfr_addr_h的数据长度分多次连续输入高位地址，要求先写入高字节，当最后一次写入后，sfr_addr_h自动更新，此后再输入数据无效。

9.根据权利要求8所述的一种高速读写RAM的方法，其特征在于按以下步骤实现连续读RAM操作：

步骤1，工作模式设置为MEMRD模式；

步骤2，按sfr_addr_l的数据长度分多次连续输入低位地址，要求先写入高字节；

步骤3，连续读出RAM数据；

步骤4，工作模式设置为IDLE模式，终止当前操作。

10.根据权利要求8所述的一种高速读写RAM的方法，其特征在于按以下步骤实现连续写RAM操作：

步骤1，工作模式设置为MEMWR模式；

步骤2，按sfr_addr_l的数据长度分多次连续输入低位地址，要求先写入高字节；

步骤3，连续向RAM写入数据；

步骤4，工作模式设置为IDLE模式，终止当前操作。