基于FPGA的DDR SDRAM控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、基于的控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)張楠：張佩珩劉新春江先陽（中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京）（中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所國(guó)家智能計(jì)算杌研究開發(fā)中心，北京）摘要隨著的廣泛應(yīng)用，為滿足不同平臺(tái)下的訪存需求，文章設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于的控制器，通過分級(jí)流水結(jié)構(gòu)提高了系統(tǒng)性能，并通過參數(shù)的在線配置滿足不同內(nèi)存顆粒的參數(shù)需求，保證了控制器的靈活性和可擴(kuò)展性。關(guān)鍵詞存儲(chǔ)器控制器文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼中圈分類號(hào)文章編號(hào)一（）一，（，），）：，：，網(wǎng)格化動(dòng)態(tài)自組織體系結(jié)構(gòu)（）是一種新的高性能計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，它可以針對(duì)不同的高性能計(jì)算應(yīng)用需求，自動(dòng)利用高速網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立的、網(wǎng)格化的功能部件動(dòng)態(tài)組織成一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并有效運(yùn)行應(yīng)用程序。與傳統(tǒng)的以微處

2、理器為核心的系統(tǒng)不同，思想將原本聚合的系統(tǒng)拆分開，將不同的功能部件分離，同類的功能部件集中并相對(duì)獨(dú)立?；谶@一思想，我們將集成到卡上，作為內(nèi)存擴(kuò)展卡。以內(nèi)存服務(wù)器的方式取代分布于主機(jī)端的存儲(chǔ)器部件，為多個(gè)節(jié)點(diǎn)提供遠(yuǎn)程內(nèi)存服務(wù)。為此我們?cè)O(shè)計(jì)了基于的存儲(chǔ)器控制器，利用實(shí)現(xiàn)接口到接口的轉(zhuǎn)換。此外。為了保證控制器的靈活性和可擴(kuò)展性在設(shè)計(jì)中還增加了參數(shù)配置單元，可以通過手動(dòng)配置的方式對(duì)控制器的工作參數(shù)進(jìn)行修改，以滿足不同內(nèi)存顆粒和不同工作模式下需求，同時(shí)采用了分級(jí)流水的結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)性能。圖控制器整體框圖數(shù)據(jù)通道的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)通道包含位地址總線和位數(shù)據(jù)總線，根據(jù)內(nèi)部總線協(xié)議（圖、）完成與接口

3、模塊的數(shù)據(jù)交換，每次數(shù)據(jù)交換的序列不超過，對(duì)應(yīng)個(gè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)交換模塊與控制模塊相連，發(fā)送讀寫請(qǐng)求，并將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)換為控制器的操作個(gè)數(shù)：同時(shí)數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)與控制模塊相連，將需要寫入的數(shù)據(jù)存放到寫中，并控制器的整體結(jié)構(gòu)控制器主要由數(shù)據(jù)通道和控制通道兩部分構(gòu)成，并分別與接口模塊的數(shù)據(jù)通道和控制通道相連接。如圖所示。其中數(shù)據(jù)通道完成接口與卡上的數(shù)據(jù)通信和存儲(chǔ)，為了提高系統(tǒng)的性能，系統(tǒng)對(duì)卡上存儲(chǔ)空間的訪問都采用方式，卡上存儲(chǔ)器的地址由起始地址和偏移地址相加得到。控制通道用于系統(tǒng)的參數(shù)配置，通過在線修改控制寄存器來完成這些寄存器占用了空間，由系統(tǒng)軟件完成空間的地址映射。基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助

4、項(xiàng)目（編號(hào)：）將讀中的數(shù)據(jù)返回到內(nèi)部總線上?？刂颇K控制模塊完成讀寫的主要控制工作，將用戶命令轉(zhuǎn)化為控制設(shè)備的總線命令，包括參數(shù)初始化、激活列地址、預(yù)加電、刷新和讀寫操作等，并控制各種操作滿足延時(shí)參數(shù)的需要。圖為控制狀態(tài)機(jī)。初始化：當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位或參數(shù)配置完成時(shí)將啟動(dòng)系統(tǒng)的初始化進(jìn)程，其中系統(tǒng)復(fù)位需要延遲斗后啟動(dòng)初始化。圖為初始化部計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用：，：柵：?。骸荆海?；圈內(nèi)部總線寫操作圈內(nèi)部總線讀操作表內(nèi)部總線接口信號(hào)名稱信號(hào)定義數(shù)據(jù)通道發(fā)送占用請(qǐng)求響應(yīng)數(shù)據(jù)通道請(qǐng)求數(shù)據(jù)通道占用讀寫信號(hào)地址信號(hào)地址有效信號(hào)：數(shù)據(jù)傳輸個(gè)數(shù)響應(yīng)并啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸讀準(zhǔn)備好信號(hào)數(shù)據(jù)輸出讀數(shù)據(jù)有效信號(hào)最后一個(gè)讀數(shù)據(jù)信號(hào)寫準(zhǔn)備好

5、信號(hào)數(shù)據(jù)輸入寫數(shù)據(jù)有效信號(hào)最后一個(gè)寫數(shù)據(jù)信號(hào)字節(jié)選擇信號(hào)捌：圖控制模塊狀態(tài)機(jī)控制器的流水結(jié)構(gòu)：為了提高系統(tǒng)性能，控制器采用了分級(jí)流水結(jié)構(gòu)（圖），包括地址解析、讀取地址表、狀態(tài)檢測(cè)、狀態(tài)跳轉(zhuǎn)和發(fā)送指令等級(jí)。地址解析：根據(jù)每次序列傳輸?shù)钠鹗嫉刂泛蛡鬏數(shù)膫€(gè)數(shù)計(jì)算每一個(gè)的讀寫地址，并根據(jù)配置的存儲(chǔ)器顆粒信息將地址拆分為行、列、和四個(gè)部分。這里采用了滑動(dòng)窗口（圖）的方式提取地址信息，并按照地址、行地址、地址、列地址的順序切分。如圖所示將地址放置在中間，對(duì)于連續(xù)的讀寫操作可以同時(shí)利用幾個(gè)上的行地址，避免行地址頻繁更換造成的時(shí)間損耗。讀取地址表：在正常工作狀態(tài)下需要每隔將行地址刷新一次，每個(gè)同時(shí)只允許有一個(gè)

6、行地址刪圈數(shù)據(jù)交換狀態(tài)機(jī)被激活。為此我們?cè)诳刂破髦胁捎昧艘粋€(gè)地址表（圖）記錄每個(gè)中處于激活狀態(tài)的行地址信息。在這里需要根據(jù)分的時(shí)序圖初始化進(jìn)程需要經(jīng)過預(yù)加電（）、配置擴(kuò)展模式寄存器（和地址信息查找到對(duì)應(yīng)的已激活的行地址信息。本系統(tǒng)中為。為，行地址最長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)消耗的空間。狀態(tài)檢測(cè)：這里需要檢測(cè)待操作的行地址是否已經(jīng)被激活，以及寫中的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)或讀中的剩余空間能否滿足一個(gè)讀寫操作的需要。當(dāng)狀態(tài)不滿足。無法完成一個(gè)的讀寫操作時(shí)。流水線將被暫停，或跳轉(zhuǎn)到空閑狀態(tài)等待。）、配置模式寄存器（）、自動(dòng)刷新（）等操作。其中在配置擴(kuò)展模式寄存器是啟動(dòng)，并在第一次配置模式寄存器時(shí)復(fù)位，復(fù)位后需要經(jīng)過個(gè)時(shí)鐘周期后才能進(jìn)

7、入正常工作狀態(tài)。計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用一三三匭匯亟臣匝（匠蔓互夏（蔓受三艇。二三二砸致至匭如同里魎虱殛砸丑至胚砸園叵二叵二曠卜憎斗肋叫一腿卜小卜一卜唧曼！竺二！竺！圖初始化，掌瓜聃。玎耵哐鹿，一，。乇毯搏一毒妞丁圈控制器的流水結(jié)構(gòu)態(tài)，這里全部采用自動(dòng)刷新（）方式。此外在狀態(tài)跳轉(zhuǎn)過程中還需要滿足各種時(shí)間參數(shù)的需要，如、等。圖地址解析的滑動(dòng)窗口發(fā)送指令：這里需要向發(fā)送控制指令、，同時(shí)向接口模塊發(fā)送輸出使能信號(hào)，向控制模塊發(fā)送的讀寫控制指令。接口模塊公司的系列器件共有個(gè)支持雙倍數(shù)據(jù)速率的，其中頂部和底部的接口單元支持接口，并支持信號(hào)的自動(dòng)移相用以鎖存數(shù)據(jù)。圖地址解析本系統(tǒng)中我們采用了（一）以滿足對(duì)邏輯單元

8、的需求。但由于接口需要占用底部或頂部的一側(cè)，而另一側(cè)最多只能提供個(gè)支持的引腳。為此我們使用兩側(cè)的普通接口單元作為數(shù)據(jù)通道并設(shè)計(jì)了輸出和輸入時(shí)鐘，通過調(diào)整相位來鎖存數(shù)據(jù)。寫操作：如圖所示向?qū)懭藬?shù)據(jù)時(shí)，由時(shí)鐘通過接口產(chǎn)生輸出信號(hào)。圖地址狀態(tài)表狀態(tài)跳轉(zhuǎn)：根據(jù)前面狀態(tài)檢測(cè)的結(jié)果和當(dāng)前狀態(tài)確定下一個(gè)工作狀態(tài)。在正常工作狀態(tài)下和為空閑狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位或行地址刷新后進(jìn)人狀態(tài)，此時(shí)所有行地址都被關(guān)閉。如果有讀寫操作不需要檢測(cè)行地址：表示存在處于激活狀態(tài)的行地址，此時(shí)將等待新的讀寫操作請(qǐng)求或的狀態(tài)滿足一個(gè)讀寫操作的需要。如果待操作的中沒有被激活的行地址時(shí)，則進(jìn)入狀態(tài)直接將行地址激活并記錄在表中，否則進(jìn)入狀態(tài)將已

9、經(jīng)激活的行地址關(guān)閉：和分別對(duì)應(yīng)讀寫操作，以為最小單位。為刷新狀圈寫操作計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用 圖控制通道參數(shù)配置寄存器讀操作：如圖所示，向讀取數(shù)據(jù)時(shí)，沒有使用輸入信號(hào)，而是用時(shí)鐘所存數(shù)據(jù)。圖讀操作控制通道的參數(shù)配置控制通道通過驅(qū)動(dòng)程序影射到系統(tǒng)的空間。通過手動(dòng)修改寄存器完成系統(tǒng)的參數(shù)配置，包括內(nèi)存條信息和內(nèi)存顆粒的參數(shù)。如行、列的位寬和各種延時(shí)信息等，如圖所示配置寄存器共占用空間，其中地址可讀寫，用于配置參數(shù)；地址只讀，用于測(cè)試；地址只寫，標(biāo)志參數(shù)配置完成系統(tǒng)初始化完成后將自動(dòng)將標(biāo)志位清零。表列出了個(gè)參數(shù)的含義。表參數(shù)配置寄存器名參數(shù)功能地址空間的首地址地址空間的尾地址列地址寬度行地址寬度長(zhǎng)度類型一

10、次刷新的行數(shù)類型，間隔時(shí)間配置完成標(biāo)志位性能分析本文給出了一種基于的設(shè)計(jì)方法，為了提高性能設(shè)計(jì)了一種流水的讀寫訪問結(jié)構(gòu)，在公司計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用的芯片上綜合，控制器的核心頻率可以達(dá)到（未加手動(dòng)優(yōu)化），雙沿，資源占用如表。表資源消耗圖所示為讀寫訪問的延遲時(shí)間，對(duì)于一次典型的讀寫訪問，不考慮因行地址刷新、激活、預(yù)加電等因素的延遲影響，從控制器接收到讀寫請(qǐng)求到向發(fā)送讀寫命令最少需要個(gè)時(shí)鐘周期；存儲(chǔ)器在接收到讀寫指令后，下一拍將寫入的數(shù)據(jù)鎖存，經(jīng)延遲后讀取的數(shù)據(jù)送出；對(duì)于讀操作，控制器在接收到數(shù)據(jù)后個(gè)周期，可以將數(shù)據(jù)返回給內(nèi)部總線。型爿：二一；圖讀寫訪問延遲圖所示為內(nèi)存卡在不同讀寫長(zhǎng)度（軸）下的數(shù)據(jù)帶寬

11、（軸），當(dāng)讀寫數(shù)據(jù)比較短時(shí)，由于其它系統(tǒng)開銷所占比例較大，將影響數(shù)據(jù)吞吐量。而隨著讀寫數(shù)據(jù)量的增大，如讀寫序列超過時(shí)，（從系統(tǒng)內(nèi)存讀出數(shù)據(jù)并寫入卡上內(nèi)存）和（從卡上內(nèi)存讀出數(shù)據(jù)并寫入系統(tǒng)內(nèi)存）的數(shù)據(jù)吞吐量可分別達(dá)到和以上。這里的帶寬只有一半左右，主要是由于在過程中計(jì)入了系統(tǒng)讀取內(nèi)存的時(shí)間開銷而在時(shí)寫入內(nèi)存的時(shí)間是不被計(jì)入的，因而在一定程度上限制了系統(tǒng)性能。蠢一譬基一、曠 姍瑚鯽黜伽姍拋瑚。一次操作的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度圖內(nèi)存卡的數(shù)據(jù)帶寬測(cè)試（下轉(zhuǎn)頁）（）技術(shù)。技術(shù)能夠識(shí)別一段文字，并將其轉(zhuǎn)（）用戶所定義的變量是否符合平臺(tái)命名法則的校驗(yàn)、修正：（）用戶所開發(fā)的知識(shí)庫是否符合平臺(tái)；（）用戶設(shè)計(jì)的框架是否符合平

12、臺(tái)框架設(shè)計(jì)的要求；（）在維護(hù)、修改過程中友好地提示用戶進(jìn)行正確的操作，如果操作錯(cuò)誤則返回重新操作?；癁槿寺暈槿藱C(jī)交互提供了另一條有效的通道聽覺通道。引導(dǎo)系統(tǒng)以實(shí)時(shí)的人聲向用戶提供動(dòng)態(tài)個(gè)性化的詳細(xì)信息，大大提高了開發(fā)者的工作效率，減少了錯(cuò)誤的發(fā)生。這里我們還配有微軟公司開發(fā)的動(dòng)畫角色綠鸚鵡，它在不同的場(chǎng)合表演不同的動(dòng)作。如張嘴、眨眼、飛翔等，給用戶在視覺上帶來全新的感受。為給用戶提高最佳的引導(dǎo)，我們用基于場(chǎng)景的思想來設(shè)計(jì)相應(yīng)的引導(dǎo)算法。引導(dǎo)系統(tǒng)的任務(wù)簡(jiǎn)單說來如下：（）通過用戶需求調(diào)查，結(jié)合用戶需求。分析理解系統(tǒng)的用戶需求，明確系統(tǒng)的任務(wù)，確定系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能；（）收集、窮舉各項(xiàng)功能的應(yīng)用場(chǎng)景，從

13、處理邏輯結(jié)構(gòu)、計(jì)算參數(shù)等方面對(duì)該類場(chǎng)景進(jìn)行抽象概括。形成各項(xiàng)功能的構(gòu)架雛形：（）與該應(yīng)用領(lǐng)域的專家協(xié)作，反復(fù)地進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)架的評(píng)估修正包括處理邏輯結(jié)構(gòu)的完善性評(píng)估、修正，以及邏輯結(jié)構(gòu)、計(jì)算處理的參數(shù)抽象數(shù)據(jù)的充分必要性分析、修正等；（）進(jìn)行相應(yīng)系統(tǒng)框架的實(shí)現(xiàn)；（）框架使用與維護(hù)，在實(shí)際使用過程中不斷精練、完善系統(tǒng)框架。如果用戶選擇通過引導(dǎo)系統(tǒng)來開發(fā)知識(shí)庫。引導(dǎo)系統(tǒng)便能通過語音來正確的引導(dǎo)用戶進(jìn)行開發(fā)工作。通過實(shí)現(xiàn)如上所述的規(guī)劃引導(dǎo)，便能引導(dǎo)用戶建立符合開發(fā)平臺(tái)知識(shí)表示范式的專家系統(tǒng)知識(shí)庫。知識(shí)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容仍然需要用戶自定義。還不能夠引導(dǎo)用戶創(chuàng)建符合領(lǐng)域知識(shí)結(jié)構(gòu)的專家系統(tǒng)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖所示田。結(jié)論

14、這篇文章詳細(xì)介紹了一種智能化人機(jī)交互模型。該模型能夠自動(dòng)識(shí)別用戶的基本類型，根據(jù)用戶自身的認(rèn)知特性向用戶提供最適宜的界面以及幫助。這個(gè)模型已經(jīng)應(yīng)用在智能化農(nóng)業(yè)信息處理系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)中。并收到了很好的效果。通過這套平臺(tái)，不同層次的用戶都可以用這套平臺(tái)能很快地開發(fā)出符合統(tǒng)一規(guī)范的知識(shí)庫文檔。通過認(rèn)知和自適應(yīng)控制的共同工作，能夠向用戶提供最適宜的界面和幫助；通過引導(dǎo)和校驗(yàn)等的協(xié)同工作。大大減少了開發(fā)知識(shí)庫時(shí)犯錯(cuò)誤的幾率和機(jī)會(huì)。由于我國(guó)國(guó)情的特殊性，許多領(lǐng)域?qū)＜以谑褂糜?jì)算機(jī)將他們的專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)轉(zhuǎn)化為一套合法的知識(shí)庫時(shí)。還存在人機(jī)交互上的許多問題。今后我們的研究將更強(qiáng)調(diào)交互過程中計(jì)算機(jī)與人的信息之間自然合理的匹配，目的就是使系統(tǒng)最大限度地滿足和應(yīng)用用戶的經(jīng)驗(yàn)、意旨和知識(shí)從而最大限度地提高系統(tǒng)的效率。（收稿期：年月）參考文獻(xiàn)董士海，王堅(jiān)，戴國(guó)忠人機(jī)交互和多通道用戶界面【】北京：科學(xué)出版社：【，：，：（），：，：圖。：系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)】：，【】：，校驗(yàn)系統(tǒng)校驗(yàn)系統(tǒng)主要由一個(gè)校驗(yàn)、知識(shí)庫的范式和，（。），：何新貴模糊知識(shí)處理的理論與技術(shù)第版北京：國(guó)防工業(yè)出版社構(gòu)成，其功能則是在用戶開發(fā)知識(shí)庫的過程中，對(duì)用戶的