Windows CE平臺下SDRAM的設(shè)計方案
SDRAM是指同步動態(tài)隨機(jī)存取存儲器，其從發(fā)展到現(xiàn)在主要經(jīng)歷了四代，并廣泛的應(yīng)用于各類操作系統(tǒng)上，隨著嵌入式產(chǎn)品的發(fā)展，各種嵌入式操作系統(tǒng)，以及嵌入式上層應(yīng)用軟件層出不窮，這就對大容量SDRAM的需求日益增強(qiáng)。
目前用于嵌入式產(chǎn)品中的存儲器主要有FLASH和SDRAM。FLASH作為靜態(tài)存儲器，被應(yīng)用于存放啟動代碼和操作系統(tǒng)內(nèi)核，SDRAM作為動態(tài)存儲器，被應(yīng)用于存放實時更新的數(shù)據(jù)信息。在此，采用Intel的PXA255處理器。使用32 MB的NOR FLASH作為放置啟動代碼和操作系統(tǒng)的靜態(tài)存儲空間，使用256 MB的SDRAM作為動態(tài)存儲空問，使用2 GB的CF卡作為應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)的存儲空間，并與液晶顯示屏、音頻、觸摸一起構(gòu)成一個功能強(qiáng)大的嵌入式體系。
1 隨機(jī)存儲器介紹
隨機(jī)存儲器主要分為靜態(tài)隨機(jī)存儲器(SRAM)、動態(tài)隨機(jī)存儲器(DRAM)及SDRAM。1個SRAM單元通常由4～6個晶體管組成，當(dāng)這個SRAM單元被賦予O或者1的狀態(tài)之后，它會保持這個狀態(tài)直到下次被賦予新的狀態(tài)或者斷電之后才會更改或者消失。SRAM的讀寫速度相對比較快，而且比較省電，但是存儲1 b的信息需要4～6只晶體管。DRAM和SDRAM必須在一定的時間內(nèi)不停地刷新才能保持其中存儲的數(shù)據(jù)，但存儲1 b的信息只要1只晶體管就可以實現(xiàn)。在數(shù)據(jù)讀寫的過程中，SRAM，DRAM及SDRAM均有不同的工作方式。DRAM和SDRAM相對于SRAM增加了多路尋址技術(shù)，即利用2個連續(xù)的周期傳輸?shù)刂窋?shù)據(jù)，達(dá)到使用一半的地址線，以完成SRAM同樣功能的目的。SDRAM相對于DRAM不僅提出了多Bank的工作模式，并且SDRAM與CPU和芯片組共享時鐘，芯片組可以主動地在每個時鐘的上升沿發(fā)給sDRAM控制命令。
2 硬件設(shè)計方案
2．1 SDRAM工作原理
SDRAM本身是由多個Bank區(qū)域構(gòu)成，對SDRAM的操作實際上是通過區(qū)域片選信號對單獨Bank進(jìn)行的操作。SDRAM中單個Bank的讀取過程如圖1所示。
(1)通過地址總線將行地址傳輸?shù)降刂芬_；
(2)RAS(行地址使能信號)被激活，這樣行地址被傳送到行地址門閂線路中；
(3)行地址解碼器根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)選擇相應(yīng)的行；
(4)wE(寫使能信號)引腳確定不被激活，所以SDRAM知道它不會進(jìn)行寫操作；
(5)列地址通過地址總線傳輸?shù)降刂芬_；
(6)CAS(列地址使能信號)引腳被激活，這樣地址被傳送到列地址門閂線路中；
(7)DQM(輸出使能)引腳被激活，數(shù)據(jù)向外輸出。
這就完成了一個單Bank的讀操作，在讀取數(shù)據(jù)的過程中行列地址的尋址過程是通過兩個時鐘周期實現(xiàn)的，在第一個時鐘周期使能行地址，下一個時鐘周期使能列地址，這就實現(xiàn)了地址線的復(fù)用，SDRAM寫入的過程和讀取過程是基本一樣的，只需要將wE信號激活。
2．2 硬件設(shè)計
對于SDRAM的硬件設(shè)計需要確定3個方面的內(nèi)容：通過處理器的特性選擇SDRAM的型號；確定SDRAM地址線、數(shù)據(jù)線的連接方式；確定SDRAM控制信號線的連接方式。
2．2．1 SDRAM的選擇
該平臺處理器選擇Intel公司XSCALE架構(gòu)的PXA255，它針對于SDRAM有4根專用的動態(tài)片選信號，能夠支持4塊內(nèi)存區(qū)域，如圖2所示。
其中每塊區(qū)域所能支持到的最大物理地址為64 MB。并且每一塊內(nèi)存區(qū)域均可使用16 b或32 b的SDRAM。在硬件設(shè)計過程中考慮到硬件使用的可調(diào)節(jié)性，采用8片16 b×4 MB×4 Bank的SDRAM，共搭建了256 MB的極限存儲空間。其中，SDRAM選擇型號為三星公司的K4S561632E。
2．2．2 數(shù)據(jù)線、地址線的分配
PXA255處理器共有32位數(shù)據(jù)線和26位地址線。故在硬件設(shè)計時需要并行處理2塊16 b的SDRAM，分別連接高位和低位的16根數(shù)據(jù)線，對于地址線的連接，首先需要參考SDRAM的數(shù)據(jù)手冊，確定SDRAM行列地址線的個數(shù)。其次根據(jù)處理器數(shù)據(jù)手冊確定具體地址線的連接方式。在三星K4S561632E的數(shù)據(jù)手冊中是這樣給出的，如表1所示。
從表1中可以得出行列復(fù)用13根地址線，其中行地址13根，列地址9根，共組成22根地址線的尋址空間。在處理器PXA255中，給SDRAM分配的地址線空間是從A10～A22。這樣就可以完全確定地址線和數(shù)據(jù)線的連接方式，如圖3所示。
2．2．3 控制信號線的連接方式
對于SDRAM需要確定的控制線包括時鐘信號線、區(qū)域片選信號線及Bank片選信號線。對于這三類信號線PXA255處理器是這樣給出的，即：
(1)每兩組內(nèi)存區(qū)域使用同一組時鐘信號線，即每128 MB的內(nèi)存空間使用同一根時鐘信號線，故在設(shè)計中使用了2組時鐘信號線。
(2)共有4根區(qū)域片選信號，分別控制64 MB的物理地址空間。最大支持到256 MB的物理地址空間。
(3)地址線的23，24位用來實現(xiàn)對SDRAM內(nèi)部Bank的選擇。
2．3 硬件的移植
針對于PXA27x系列的高端處理器，Intel并沒有對SDRAM部分做本質(zhì)上的改動，仍然是4根動態(tài)片選信號，故硬件方面的設(shè)計可以完全移植到PXA27x系列的處理器中。 #p#
3 軟件設(shè)計方案
Windows CE操作系統(tǒng)下對內(nèi)存的驅(qū)動代碼主要分為兩個部分，首先在BootLoader中對SDRAM進(jìn)行底層初始化；其次在系統(tǒng)BSP包內(nèi)需要將SDRAM所對應(yīng)的物理地址映射為Windows CE下能夠識別的虛擬地址。
3．1 BootLoader代碼的買現(xiàn)
BootLoader是系統(tǒng)運行的起始點，它包含著系統(tǒng)運行的第一行代碼。BootLoader本身也是一個功能完整的微型操作系統(tǒng)，在內(nèi)部需要實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)，以及各種必要設(shè)備驅(qū)動程序的配置。其中內(nèi)存管理即是完成SDRAM初始化的工作，包括設(shè)置SDRAM工作頻率、設(shè)置片選信號寄存器、設(shè)置刷新間隔和SDRAM潛伏期、以及配置系統(tǒng)內(nèi)核的拷貝地址。控制線的連接方式如圖4所示。
(1)頻率設(shè)置
完成寄存器的復(fù)值，其中r3的選擇為F即就是0x1111，打開4片內(nèi)存區(qū)域。
(2) 刷新間隔設(shè)置。關(guān)于刷新間隔值(DIR)的計算在手冊中是這樣給出的：
目前公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)是，存儲體中電容的數(shù)據(jù)有效保存期上限是64 ms，也就是說每一行刷新的循環(huán)周期是64 ms。這樣刷新速度為：64 ms／行數(shù)量。由于行地址有13位(在MDCNFG寄存器的DRACO[1：0]中設(shè)置，需要與硬件一致)，所以每行的的刷新時間為64 ms／213=64 ms／8 192=7．812 5／μs，則7．812 5μs×100 MHz／32=0x18，這樣就得到了系統(tǒng)的DRI值。
(3) 潛伏期的設(shè)置。潛伏期是指SDRAM在讀寫過程中所存在的延遲，潛伏期的時間長度是由以下幾個參數(shù)共同決定的：
CL：在選定列地址后，就已經(jīng)確定了具體的存儲單元，剩下的事情就是數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)I／O通道(數(shù)據(jù)總線)輸出到內(nèi)存總線上。但是在CAS發(fā)出之后，仍要經(jīng)過一定的時間才能有數(shù)據(jù)輸出，從CAS與讀取命令發(fā)出到第一筆數(shù)據(jù)輸出的這段時間被稱為讀取潛伏期。tRP：在發(fā)出預(yù)充電命令之后，要經(jīng)過一段時間才能允許發(fā)送行有效命令打開新的工作行，這個間隔被稱為預(yù)充電有效周期(Precharge command Period)。tRCD：在發(fā)送列讀寫命令時必須要與行有效命令有一個間隔，這個間隔被定義為tRCD，即RAS to CASDelay(RAS至CAS延遲)，也可以理解為行選通周期。tRAS：行有效至預(yù)充電命令間隔周期。tRC：包括行單元開啟和行單元刷新在內(nèi)的整個過程所需要的時間，所有參數(shù)可以從SDRAM數(shù)據(jù)手冊得到，計算出理論潛伏期時長為200／μs。
(4)其他設(shè)置
設(shè)置操作系統(tǒng)的入口點，這里用到的虛擬地址需要與系統(tǒng)中建立的映射表相對應(yīng)。 #p#
3．2 BSP內(nèi)代碼的實現(xiàn)
Windows CE系統(tǒng)啟動中，對SDRAM的操作分為兩個部分：首先對SDRAM的物理空間進(jìn)行分配；其次將SDRAM所對應(yīng)的物理地址轉(zhuǎn)換為虛擬地址。
3．2．1 地址的分配
地址的分配和系統(tǒng)加載的順序有著密切的關(guān)系。首先要在內(nèi)存中開辟一段空間用來存放啟動代碼BootLoader，它被存放在sDRAM的第一個區(qū)域空間內(nèi)。當(dāng)發(fā)生外部復(fù)位中斷時系統(tǒng)會從這里重新開始運行。其次分配操作系統(tǒng)內(nèi)核空間，它被存放在SDRAM的第二個區(qū)域，以便使BootLoader能夠順利加載操作系統(tǒng)內(nèi)核。分配地址空間根據(jù)所建立系統(tǒng)內(nèi)核來確定。剩余的內(nèi)存空間用來存放系統(tǒng)下的應(yīng)用程序。
3．2．2 地址的映射
在操作系統(tǒng)中，需要把SDRAM的空間連續(xù)起來并作為首地址，不僅方便內(nèi)存管理，而且當(dāng)應(yīng)用程序申請大塊內(nèi)存時，操作系統(tǒng)內(nèi)核也可方便的分配。這就引入了將不連續(xù)的物理地址空間映射為連續(xù)的虛擬地址空間。PXA255的SDRAM起始物理地址OxA0000000，可將其映射為0x80000000，這里0x80000000將作為系統(tǒng)虛擬空間的起始地址，當(dāng)有IRQ中斷發(fā)生時，系統(tǒng)PC指針會重新指向這個地址。需要注意的是這里分配的虛擬地址要與啟動代碼中BootLoader中所使用的虛擬地址對應(yīng)起來。
3．2．3 軟件的移植
針對于PXA27x系列的高端處理器，微軟在Plat-Build 5.0中給出了相對應(yīng)的內(nèi)核代碼雖然在內(nèi)核代碼的架構(gòu)上有了很大的變化，但對于擴(kuò)展SDRAM的思想并沒有改變，首先在BootLoader中初始化所使用的SDRAM，其次在BSP內(nèi)建立地址映射表。
4 結(jié) 語
文章主要介紹了在嵌入式Windows CE系統(tǒng)平臺上，使用大容量SDRAM作為動態(tài)存儲設(shè)備的方案。詳細(xì)介紹了SDRAM硬件連接方案以及軟件接口的實現(xiàn)。該方案已經(jīng)在工程設(shè)計中投入使用，其可以在同類的嵌入式高端產(chǎn)品中推廣使用。
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