80C186XL嵌入式系統(tǒng)中DRAM控制器的CPLD解決方案

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 C186XL嵌入式系統(tǒng)中DRAM控制器的CPLD解決方案介紹怎樣在嵌入式CPU 80C186XL DRAM刷新控制單元的根底上，利用CPLD技術和80C196XL的時序特征設計一個低價格、功能完整的DRAM控制器的方法，并采用VHDL語言編程實現(xiàn)。 80C186XL16位嵌入式微處理器是Intel公司在嵌入式微處理器市場的上導產品之一，已廣泛應用于電腦終端、程控交換和工控等領域。在該嵌入式微處理器片內，集成有DRAM RCU單元，即DRAM刷新控制單元。RCU單元可以自動產生DRAM刷新總線周期，它工作于微處理器的增益模式下。經適當編程后，RCU將向將處理器的B

2、IU（總線接口）單元產生存儲器讀請求。對微處理器的存儲器范圍編程后，BIU單元執(zhí)行刷新周期時，被編程的存儲器范圍片選有效。 存儲器是嵌入式計算機系統(tǒng)的重要組成部分之一。通常采用靜態(tài)存儲器，但是在系統(tǒng)需要大容量存儲器的情況下，這種方式將使成本猛增。如果采用DRAM存儲器，則可以大幅度降低系統(tǒng)設計成本；但DRAM有復雜的時序要求，給系統(tǒng)設計帶來了很大的困難。 為了方便地使用DRAM，降低系統(tǒng)成本，本文提出一種新穎的解決方案：利用80C186XL的時序特征，采用CPLD技術，并使用VHDL語言設計實現(xiàn)DRAM控制器。 一、80C186XL RCU單元的資源 80C186XL的BIU單元提供20位地址

3、總線，RCU單元也為刷新周期提供20位地址總線。80C186XL能夠產生刷新功能，并將刷新狀態(tài)編碼到控制信號中。 圖1是RCU單元的方框圖。它由1個9位遞減定時計數(shù)器、1個9位地址計數(shù)器、3個控制存放器和接口邏輯組成。當RCU使能時，遞減定時計數(shù)器每一個CLKOUT周期減少1次，定時計數(shù)器的值減為1時，則產生刷新總線請求，遞減定時計數(shù)器重載，操作繼續(xù)。刷新總線周期具有高優(yōu)先級，旦80C186XL總線有空，就執(zhí)行刷新操作。 設計者可將刷新總線周期看成是“偽讀”周期。刷新周期像普通讀周期一樣出現(xiàn)在80C186XL總線上，只是沒有數(shù)據(jù)傳輸。從引腳BHE/RFSH和A0的狀態(tài)可以判別刷新周期，如下表1

4、所列。刷新總線周期的時序要求如圖2所示。 表1 刷新周期的引腳狀態(tài) 80C186XL引腳BHE/RFSHA0引腳狀態(tài)11 二、80C186XL DRAM控制器的設計與運行 DRAM存在著大量、復雜的時序要求，其中訪問時間的選擇、等待狀態(tài)以及刷新方法是至關重要的。DRAM控制器必須正確響應80C186XL的所有總線周期，必須能將DRAM的部周期和其它訪問周期分辨出來，其訪問速度必須足夠快，以防止不必要的等待周期。 在設計時，我們采用XC95C36-15 CPLD以及4Mbits的V53C8258DRAM作范例。15ns的CPLD，速度相對較高，價格比較便宜。用它設計成的DRAM控制器允許80C1

5、86XL的工作速度高達20MHz，并且XC95C36有異步時鐘選擇項。這種特性對本設計有很大的好處。 圖3是80C186XL DRAM控制器和存儲器的功能框圖。 DRAM控制器由80C186XL狀態(tài)信號S2、S1和S0的解碼來檢測總線的開始、類型和結束。這些狀態(tài)線是在CLKOUT的上升沿開始有效，在CLKOUT的下降沿失效的。DRAM控制器發(fā)出的RAS和CAS信號應該在CLKOUT的下降沿同時有效，行列地址應該在CLKOUT上升沿附近提供。 DRAM控制器應該在CLKOUT的兩個沿都應能正常操作。通過啟用XC95C36的異步時鐘選擇項，每個XC95C36宏單元可以從可編程與陣列獲得時鐘。DRA

6、M控制器使用80C186XL的CLKOUT信號作時鐘輸入。 DRAM控制器主要由兩個相互聯(lián)的狀態(tài)機構成。這兩個狀態(tài)機，使得DRAM的控制與80C186XL是否開展等待狀態(tài)無關。狀態(tài)機A和地址多路控制信號（MUX）在CLKOUT的上升沿鎖存。狀態(tài)機B和RAS及CAS的邏輯在CLKOUT的下降沿鎖存。DRAM控制器完整的VHDL語言的源代碼可Email給cnhsx索取。 DRAM控制器的狀態(tài)圖如圖4所示，狀態(tài)機A和B的起始條件分別是A0和B0。狀態(tài)機A初始化DRAM控制器的序列，狀態(tài)機B終止該序列。 在T2的下降沿，RAS邏輯采樣狀態(tài)機A的狀態(tài)，鎖存的地址線和總經狀態(tài)信號。如果狀態(tài)機A在A1狀態(tài)（

7、存儲器讀、寫或刷新周期）并且總線周期為DRAM使用，則XC95C36插入RAS信號。 在T2的上升沿，狀態(tài)機A也采樣鎖存的地址線。如果總線周期被DRAM占用，狀態(tài)機A將從狀態(tài)A1轉移到A2，否則狀態(tài)機A轉換到A3。至此控制轉移到狀態(tài)機B。MUX邏輯采樣RAS和BHE引腳的狀態(tài)。如果RAS有效（指示DRAM在訪問），并且總線周期下是刷新周期，XC95C36將插入MUX。MUX在行列地址之間切換，以便開展DRAM的讀寫操作。 在T3的下降沿，狀態(tài)機B采樣狀態(tài)機A。如果狀態(tài)機A處于狀態(tài)A2（DRAM訪問）或狀態(tài)A3（存儲器讀或寫，但不是DRAM訪問），狀態(tài)機B從狀態(tài)B0轉到B1。如果總線周期是一個D

8、RAM訪問周期，XC95C36繼續(xù)保持RAS有效。CAS邏輯采樣MUX的狀態(tài)、鎖存地址A0、BHE和總線周期狀態(tài)。如果MUX有效（指示DRAM讀或寫），并且訪問低字節(jié)，則XC95C36插入LCAS；如果MUX有效，并且微處理器訪問高字節(jié)，XC95C36插入UCAS。DRAM讀訪問和DRAM刷新訪問不同之處在于：對刷新來說，不需要MUX、UCAS和LCAS。 在T3的上升沿，狀態(tài)機A等待狀態(tài)機B中斷此序列。如果MUX有效（DRAM讀或寫），它將保持有效。 有下一個降沿，狀態(tài)機B采樣總線狀態(tài)信號。如果狀態(tài)信號仍然有效，則此狀態(tài)為等待狀態(tài)Tw，狀態(tài)機B保持在狀態(tài)B1。如果這個狀態(tài)是等待狀態(tài)，并且RA

9、S有效（DRAM訪問），RAS保持有效；如果狀態(tài)為等待狀態(tài)，并且UCAS和LCAS有效（DRAM讀或寫），UCAS和LCAS保持有效。 在等待狀態(tài)的上升沿，狀態(tài)機A繼續(xù)等待狀態(tài)機B來中斷此序列。如果MUX有效（DRAM讀或寫），則它在T3狀態(tài)里保持有效。 如果微處理器狀態(tài)信號無效，這個狀態(tài)則是一個T4狀態(tài)，狀態(tài)機B從B1轉到B2.如果狀態(tài)是一個T4狀態(tài)，并且RAS有效（DRAM訪問），則RAST4狀態(tài)，并且RAS有效（DRAM訪問），則RAS邏輯也檢測無效狀態(tài)信號，并且XC95C36關閉RAS信號；如果狀態(tài)是一個T4狀態(tài)，并且UCAS和LCAS有效（DRAM讀或寫），則CAS邏輯也采樣總線狀態(tài)

10、信號；如果狀態(tài)信號無效，則XC95C36關閉UCAS和LCAS信號。 在T4的上升沿，狀態(tài)機A采樣狀態(tài)機B的狀態(tài)。在狀態(tài)機B處于B2狀態(tài)的情況下，狀態(tài)機A從A2狀態(tài)（DRAM訪問）或A3狀態(tài)（存儲器讀或寫，但不是DRAM訪問）轉到A0。如果MUX有效，MUX邏輯檢查RAS的狀態(tài)；如果RAS無效（指示一個終止周期），XC95C36關閉MUX。 在下一個CLKOUT下降沿，狀態(tài)機B無條件地從狀態(tài)B2轉到B0，終止DRAM序列?？刂妻D移給狀態(tài)機A。 三、80C186XL RCU單元的編程 要使DRAM正常工作，就必須對80C186XL中與DRAM刷新有關的存放器開展正確編程。這些存放器包括：刷新時鐘

11、間隔存放器（RFTIME存放器）、刷新基地址存放器（RFBASE存放器）和刷新控制存放器（RFCON存放器）。 刷新時鐘間隔存放器（RFTIME存放器）的編程公式為：Trefreshfcpu/(Rrow+Rrows補償因子)。V53C8258的技術參數(shù)規(guī)定，其刷新周期Trefresh為8ms，存儲陣列行數(shù)Rrows為512?？紤]到RCU取得總線控制權的延時，補償因子取0.05。因此，微處理器在fcpu=20MHz工作頻率下，RFTIME存放器的取值為：0.0082010 6/（512+5120.05），約為297. 刷新基地址存放器（RFBASE存放器）的編程。該存放器的高7位，規(guī)定了DRAM

12、容量大小。系統(tǒng)使用兩片V53C8258情況下，RFBASE的取值為00H，DRAM占用微處理器的存儲空間的00000H7FFFFH（512KB）。 通過將刷新控制存放器（RFCON存放器）的REN位置位，來啟動刷新控制單元。 若使用80C186XL的節(jié)電模式，則要求重新編程這些值。在寫節(jié)電控制存放器前，必須先用要時鐘分頻值去除原先設置在刷新間隔存放器的值，來重新設置存放器。 結束語 現(xiàn)在DRAM、CPLD的價格非常低，這樣設計者有時機在嵌入式計算機系統(tǒng)設計中考慮采用DRAM。80C186XL嵌入式微處理器廣泛應用于嵌入式計算機、程控通信和工業(yè)控制系統(tǒng)中，具有良好的性價比，其性能和功能是80C31、80C196等單片機無法比較的，并能充分利用大量的PC平臺軟件。本解決方案已在家庭電子證券產品中采用，獲得了良好的經濟效益和社會效益。 掌握CPLD技術和VHDL語言設計技巧是提升產品技術含量的重要途徑。上述CPLD還留在一些引腳和內部資源未使用，只要設計