1 引 言

SDRAM的特點是大容量和高速度。其單片容量可達256Mb或更高，工作速度可達100～200MHz以上，但是其控制方式比EDO／FP DRAM復(fù)雜得多。目前，許多嵌入式設(shè)備的大容量存儲器都采用SDRAM來實現(xiàn)。在設(shè)計中采用SDRAM存儲器時，大多都是用專用芯片完成其控制電路。但是，當我們對SDRAM存儲器進行特殊應(yīng)用時，就需要自己設(shè)計控制電路了。

我們知道，顯示器在顯示文字或圖形時，顯示器在幀頻、行頻、彩色視頻信號的控制下，控制電子束順序地從上到下，從左到右逐行掃描。而這些顯示控制信號是由顯示控制器產(chǎn)生。在雷達光柵顯示系統(tǒng)中，顯示幀緩沖存儲器(VRAM)存儲雷達的實時信號。而在顯示器的每個行周期的逆程時，需要把下一行的顯示數(shù)據(jù)從顯示幀緩沖存儲器(VRAM)中取出，寫到一個行緩沖存儲器中去。在行周期的正程時，這個行緩沖存儲器中的顯示數(shù)據(jù)在顯示時鐘的同步下，順序讀出，送到視頻形成電路(RAMDAC)形成顯示視頻信號，同時配合幀頻、行頻，這樣顯示器就能顯示出雷達信號了。

在雷達光柵顯示系統(tǒng)的通常設(shè)計中，采用專用的雙口VRAM實現(xiàn)顯示幀緩沖存儲器。這種專用的雙口VRAM內(nèi)部具備串行存取存儲器，因此實現(xiàn)系統(tǒng)比較簡單。但是缺點是工作速度和容量都比較低，影響系統(tǒng)的性能指標。在本文的雷達光柵顯示系統(tǒng)設(shè)計中，嘗試采用SDRAM存儲器作為顯示幀緩沖存儲器，采用FPGA器件完成SDRAM的控制電路。下面介紹具體的實現(xiàn)過程。

2 SDRAM簡介

SDRAM具有多種工作模式，內(nèi)部操作是一個復(fù)雜的狀態(tài)機。SDRAM器件的管腳分為以下幾類：

(1)控制信號 包括片選，時鐘，時鐘使能，行列地址選擇，讀寫選擇，數(shù)據(jù)有效。

(2)地址 時分復(fù)用管腳，根據(jù)行列地址選擇管腳，控制輸入的地址為行地址或列地址。

(3)數(shù)據(jù) 雙向管腳。

SDRAM的所有操作都同步于時鐘。根據(jù)時鐘上升沿時控制管腳和地址輸入的狀態(tài)，可以產(chǎn)生多種輸入命令： (1)模式寄存器設(shè)置命令；(2)激活命令；

(3)預(yù)充命令；(4)讀命令；

(5)寫命令；(6)帶預(yù)充的讀命令；

(7)帶預(yù)充的寫命令；(8)自動刷新命令；

(9)自我刷新命令；(10)突發(fā)停命令。

另外還有空操作命令。

根據(jù)輸入命令，SDRAM狀態(tài)在內(nèi)部狀態(tài)間轉(zhuǎn)移。圖1是SDRAM器件的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。

另外，SDRAM器件還有掉電狀態(tài)，時鐘中止等工作狀態(tài)，使用較少，在此不做介紹。

3 設(shè)計實現(xiàn)

根據(jù)雷達光柵顯示系統(tǒng)的要求，顯示幀緩沖存儲器采用雙片1 M×l6b(HY57V161610)的SDRAM芯片構(gòu)成32b的數(shù)據(jù)寬度。在該設(shè)計中，設(shè)定SDRAM的工作時鐘為66MHz，這已經(jīng)足以滿足顯示系統(tǒng)的要求了。

3．1 SDRAM的初始化

在電源正常之后，首先必須提供給SDRAM芯片穩(wěn)定的工作時鐘至少200μs。圖2是SDRAM的初始化時序圖。圖中，首先t1時刻發(fā)出所有塊預(yù)充命令，在tRP時間后才能發(fā)出下一條命令。在t2時刻發(fā)出自動刷新命令，在tRC時間后才能發(fā)出下一條命令。自動刷新命令必須至少8個。最后，在t4時刻發(fā)出模式寄存器設(shè)置命令設(shè)置工作模式，此時地址線上輸入的就是控制代碼。同樣，在tMRD時間后才能發(fā)出下一條命令。本設(shè)計中，時鐘周期為15ns，器件的tRP為20ns，tRC為20ns。因此tRP=2CLK，tRC=5CLK，tMRD固定為2CLK。因此，t1時刻到t2時刻是2周期延遲，t2時刻到t3時刻是5周期延遲，而在t4時刻2周期之后，才能發(fā)出下一條命令。

在電路設(shè)計上，采用監(jiān)控芯片MAX705產(chǎn)生復(fù)位信號，所有的控制電路都在復(fù)位信號正常后工作。該復(fù)位信號可以保證至少60ms，滿足200μs的要求。了解了初始化時序之后，由FPGA設(shè)計產(chǎn)生這種時序就比較簡單了。

3．2 SDRAM的讀寫時序設(shè)計

在SDRAM芯片初始化完成之后，就進入正常工作狀態(tài)。SDRAM芯片在正常的讀寫操作時，如果SDRAM芯片行地址不發(fā)生變化，那么可以滿足每時鐘周期進行一次讀寫的高速操作；但是當SDRAM芯片行地址發(fā)生變化時，就必須返回到預(yù)充狀態(tài)。圖3是一個完整的讀改寫時序。圖中所示的是Burst Length=l，CAS Latency=2的情況。

在本設(shè)計中，雷達信號的一次顯示分辨率為1 024×l 024，而光柵顯示器的顯示分辨率為1 280×1 024。把每個掃描行的前1 024個點稱作一次顯示正程，而把每個掃描行的后256個點以及行消隱期稱作一次顯示逆程。

在一次顯示正程時，需要把雷達信號的數(shù)字視頻更新到幀緩沖存儲器(VRAM)中去，每一個視頻點的更新都必須進行一次讀、修改、寫操作。此時，必須判斷本次讀寫操作的行地址與上一次操作時是否相同。如果行地址改變，則首先在t1時刻發(fā)出預(yù)充命令，在延遲tRP＝2CLK的時間后，即t2時刻發(fā)出行激活命令，此時地址線上同時應(yīng)該給出相應(yīng)的行地址。在延遲tRCD＝20ns，即2CLK時間后的t3時刻，發(fā)出存儲器讀命令，此時地址線上同時應(yīng)該給出相應(yīng)的列地址。隨后，在CL＝2CLK時間后，即t4時刻數(shù)據(jù)線上就讀出了相應(yīng)的存儲器數(shù)據(jù)。經(jīng)過處理后，在t5時刻重新寫入到存儲器中去，同樣地址線上應(yīng)該給出相應(yīng)的列地址。

如果行地址相同，則只需要發(fā)出列地址進行讀寫，也就是說，從t3時刻開始就行了。進一步地，如果列地址也相同，則只需要發(fā)出寫操作命令，而數(shù)據(jù)采用上一次操作的數(shù)據(jù)進行處理后寫入，也就是只用發(fā)出t5時刻的寫操作命令就行了。

在用FPGA實現(xiàn)時，由于需要多次判斷，因此設(shè)計比較復(fù)雜。但是這樣做可以節(jié)省許多時間，提高效率。

3．3 顯示刷新

在本設(shè)計中，一次顯示逆程時，進行一次顯示刷新操作。此時，也就是把幀緩沖存儲器中的雷達視頻信息通過高速的SDRAM全頁突發(fā)讀操作，讀出并存儲到FPGA中的SRAM行緩存中。在一次顯示正程時，在顯示時鐘的同步下，依次輸出SRAM行緩存中的視頻數(shù)據(jù)到顯示控制器的視頻形成電路(RAMDAC)形成復(fù)合視頻。

此時，需要用到SDRAM的全頁突發(fā)操作模式。該操作模式是SDRAM的一種特殊操作模式。用FPGA設(shè)計時序時，首先在t1時刻發(fā)出預(yù)充命令，在延遲tRP=2CLK的時間后，即t2時刻發(fā)出模式寄存器設(shè)置命令，此時地址線上同時應(yīng)該給出全頁突發(fā)模式的控制代碼。在延遲tMRD＝2CLK時間后的t3時刻，發(fā)出行激活命令，同時地址線上給出行地址。在延遲tRCD=2CLK時間后的t4時刻，發(fā)出存儲器讀命令，同時地址線上給出全頁突發(fā)操作的起始列地址。隨后，在CL＝2CLK時間后，即從t5時刻開始，數(shù)據(jù)線上海時鐘周期就連續(xù)輸出相應(yīng)的存儲器數(shù)據(jù)。最大可以輸出SDRAM芯片存儲陣列中該行的全部數(shù)據(jù)。本設(shè)計中只需讀出128個數(shù)據(jù)就可以了，即從t5時刻到t10時刻。由于CL＝2CLK，因此必須提前2周期，即軋時刻就發(fā)出突發(fā)停止命令。

數(shù)據(jù)讀取操作完成之后，必須把SDRAM的全頁操作模式重新設(shè)置到以前的狀態(tài)，因此重復(fù)t1時刻到t2時刻，在t11時刻發(fā)出預(yù)充命令，在t12時刻發(fā)出模式寄存器設(shè)置命令，在2CLK之后，即t13時刻才可以發(fā)出新的操作命令。

在用FPGA設(shè)計時序時，這部分的控制邏輯是比較復(fù)雜的。不僅要產(chǎn)生正確的時序，還必須高速接收數(shù)據(jù)，這種高速SRAM的最方便的選擇就是用FPGA的內(nèi)置存儲器實現(xiàn)。

3．4 顯示余輝設(shè)計

雷達光柵掃描顯示的特點就是可以形成人工余輝。在本設(shè)計中，余輝時序也是采用全頁突發(fā)操作模式來完成，和顯示刷新時序類似，所不同的是發(fā)出的是全頁寫命令，寫入的余輝數(shù)據(jù)是把SRAM行緩存中的數(shù)據(jù)經(jīng)過一定的余輝衰減算法處理后得到的。實際設(shè)計時序時，在圖4中t10時刻和t11時刻之間插入一個全頁突發(fā)寫操作就可以了。

4 結(jié) 語

本文使用ALTERA公司的FPGA器件進行設(shè)計。設(shè)計輸入采用AHDL(Altera硬件描述語言)來完成。在數(shù)字電路設(shè)計領(lǐng)域，利用FPGA器件非常強大的功能和非常靈活的設(shè)計方法，幾乎沒有他不能實現(xiàn)的設(shè)計。

本文來源于一個實際的雷達光柵顯示系統(tǒng)的設(shè)計，SDRAM控制電路是其中的重要組成部分。全部的雷達信號光柵掃描顯示邏輯電路由1片EPFl0K50E實現(xiàn)。

根據(jù)雷達光柵顯示系統(tǒng)的需要，閱讀了大量SDRAM芯片的資料之后，充分利用了SDRAM存儲器的工作特點，在需要時進行轉(zhuǎn)換，完成了雷達信號實時顯示中大批量數(shù)據(jù)的高速傳輸問題。

隨著大容量存儲器的廣泛應(yīng)用，SDRAM的控制器在許多領(lǐng)域的控制芯片中已經(jīng)內(nèi)部集成了。但是，當用FPGA設(shè)計一個應(yīng)用且需要大容量、高速度的SDRAM存儲器時，自己設(shè)計一個SDRAM的控制器是一個最佳的選擇。

[1].MAX705datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/MAX705_1019153.html.
[2].t12datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/t12_1178952.html.