基于FPGA的DDR SDRAM控制器设计与实现_图文

1、基于的控制器设计与实现张楠：张佩珩刘新春江先阳（中国科学院研究生院，北京）（中国科学院计算技术研究所国家智能计算杌研究开发中心，北京）摘要随着的广泛应用，为满足不同平台下的访存需求，文章设计并实现了一种基于的控制器，通过分级流水结构提高了系统性能，并通过参数的在线配置满足不同内存颗粒的参数需求，保证了控制器的灵活性和可扩展性。关键词存储器控制器文献标识码中圈分类号文章编号一（）一，（，），）：，：，网格化动态自组织体系结构（）是一种新的高性能计算机体系结构，它可以针对不同的高性能计算应用需求，自动利用高速网络中独立的、网格化的功能部件动态组织成一个计算机系统，并有效运行应用程序。与传统的以微处

2、理器为核心的系统不同，思想将原本聚合的系统拆分开，将不同的功能部件分离，同类的功能部件集中并相对独立。基于这一思想，我们将集成到卡上，作为内存扩展卡。以内存服务器的方式取代分布于主机端的存储器部件，为多个节点提供远程内存服务。为此我们设计了基于的存储器控制器，利用实现接口到接口的转换。此外。为了保证控制器的灵活性和可扩展性在设计中还增加了参数配置单元，可以通过手动配置的方式对控制器的工作参数进行修改，以满足不同内存颗粒和不同工作模式下需求，同时采用了分级流水的结构，提高了系统性能。图控制器整体框图数据通道的设计与实现数据交换数据通道包含位地址总线和位数据总线，根据内部总线协议（图、）完成与接口

3、模块的数据交换，每次数据交换的序列不超过，对应个数据。数据交换模块与控制模块相连，发送读写请求，并将传输的数据个数转换为控制器的操作个数：同时数据总线上的数据与控制模块相连，将需要写入的数据存放到写中，并控制器的整体结构控制器主要由数据通道和控制通道两部分构成，并分别与接口模块的数据通道和控制通道相连接。如图所示。其中数据通道完成接口与卡上的数据通信和存储，为了提高系统的性能，系统对卡上存储空间的访问都采用方式，卡上存储器的地址由起始地址和偏移地址相加得到。控制通道用于系统的参数配置，通过在线修改控制寄存器来完成这些寄存器占用了空间，由系统软件完成空间的地址映射。基金项目：国家自然科学基金资助

4、项目（编号：）将读中的数据返回到内部总线上。控制模块控制模块完成读写的主要控制工作，将用户命令转化为控制设备的总线命令，包括参数初始化、激活列地址、预加电、刷新和读写操作等，并控制各种操作满足延时参数的需要。图为控制状态机。初始化：当系统复位或参数配置完成时将启动系统的初始化进程，其中系统复位需要延迟斗后启动初始化。图为初始化部计算机工程与应用：，：栅：！：【：，：；圈内部总线写操作圈内部总线读操作表内部总线接口信号名称信号定义数据通道发送占用请求响应数据通道请求数据通道占用读写信号地址信号地址有效信号：数据传输个数响应并启动数据传输读准备好信号数据输出读数据有效信号最后一个读数据信号写准备好

5、信号数据输入写数据有效信号最后一个写数据信号字节选择信号捌：图控制模块状态机控制器的流水结构：为了提高系统性能，控制器采用了分级流水结构（图），包括地址解析、读取地址表、状态检测、状态跳转和发送指令等级。地址解析：根据每次序列传输的起始地址和传输的个数计算每一个的读写地址，并根据配置的存储器颗粒信息将地址拆分为行、列、和四个部分。这里采用了滑动窗口（图）的方式提取地址信息，并按照地址、行地址、地址、列地址的顺序切分。如图所示将地址放置在中间，对于连续的读写操作可以同时利用几个上的行地址，避免行地址频繁更换造成的时间损耗。读取地址表：在正常工作状态下需要每隔将行地址刷新一次，每个同时只允许有一个

6、行地址删圈数据交换状态机被激活。为此我们在控制器中采用了一个地址表（图）记录每个中处于激活状态的行地址信息。在这里需要根据分的时序图初始化进程需要经过预加电（）、配置扩展模式寄存器（和地址信息查找到对应的已激活的行地址信息。本系统中为。为，行地址最长，对应消耗的空间。状态检测：这里需要检测待操作的行地址是否已经被激活，以及写中的数据个数或读中的剩余空间能否满足一个读写操作的需要。当状态不满足。无法完成一个的读写操作时。流水线将被暂停，或跳转到空闲状态等待。）、配置模式寄存器（）、自动刷新（）等操作。其中在配置扩展模式寄存器是启动，并在第一次配置模式寄存器时复位，复位后需要经过个时钟周期后才能进

7、入正常工作状态。计算机工程与应用一三三匦汇亟臣匝（匠蔓互夏（蔓受三艇。二三二砸致至匦如同里魉虱殛砸丑至胚砸园叵二叵二旷卜憎斗肋叫一腿卜小卜一卜唧曼！竺二！竺！图初始化，掌瓜聃。玎耵哐鹿，一，。乇毯搏一毒妞丁圈控制器的流水结构态，这里全部采用自动刷新（）方式。此外在状态跳转过程中还需要满足各种时间参数的需要，如、等。图地址解析的滑动窗口发送指令：这里需要向发送控制指令、，同时向接口模块发送输出使能信号，向控制模块发送的读写控制指令。接口模块公司的系列器件共有个支持双倍数据速率的，其中顶部和底部的接口单元支持接口，并支持信号的自动移相用以锁存数据。图地址解析本系统中我们采用了（一）以满足对逻辑单元

8、的需求。但由于接口需要占用底部或顶部的一侧，而另一侧最多只能提供个支持的引脚。为此我们使用两侧的普通接口单元作为数据通道并设计了输出和输入时钟，通过调整相位来锁存数据。写操作：如图所示向写人数据时，由时钟通过接口产生输出信号。图地址状态表状态跳转：根据前面状态检测的结果和当前状态确定下一个工作状态。在正常工作状态下和为空闲状态，当系统复位或行地址刷新后进人状态，此时所有行地址都被关闭。如果有读写操作不需要检测行地址：表示存在处于激活状态的行地址，此时将等待新的读写操作请求或的状态满足一个读写操作的需要。如果待操作的中没有被激活的行地址时，则进入状态直接将行地址激活并记录在表中，否则进入状态将已

9、经激活的行地址关闭：和分别对应读写操作，以为最小单位。为刷新状圈写操作计算机工程与应用 图控制通道参数配置寄存器读操作：如图所示，向读取数据时，没有使用输入信号，而是用时钟所存数据。图读操作控制通道的参数配置控制通道通过驱动程序影射到系统的空间。通过手动修改寄存器完成系统的参数配置，包括内存条信息和内存颗粒的参数。如行、列的位宽和各种延时信息等，如图所示配置寄存器共占用空间，其中地址可读写，用于配置参数；地址只读，用于测试；地址只写，标志参数配置完成系统初始化完成后将自动将标志位清零。表列出了个参数的含义。表参数配置寄存器名参数功能地址空间的首地址地址空间的尾地址列地址宽度行地址宽度长度类型一

10、次刷新的行数类型，间隔时间配置完成标志位性能分析本文给出了一种基于的设计方法，为了提高性能设计了一种流水的读写访问结构，在公司计算机工程与应用的芯片上综合，控制器的核心频率可以达到（未加手动优化），双沿，资源占用如表。表资源消耗图所示为读写访问的延迟时间，对于一次典型的读写访问，不考虑因行地址刷新、激活、预加电等因素的延迟影响，从控制器接收到读写请求到向发送读写命令最少需要个时钟周期；存储器在接收到读写指令后，下一拍将写入的数据锁存，经延迟后读取的数据送出；对于读操作，控制器在接收到数据后个周期，可以将数据返回给内部总线。型爿：二一；图读写访问延迟图所示为内存卡在不同读写长度（轴）下的数据带宽

11、（轴），当读写数据比较短时，由于其它系统开销所占比例较大，将影响数据吞吐量。而随着读写数据量的增大，如读写序列超过时，（从系统内存读出数据并写入卡上内存）和（从卡上内存读出数据并写入系统内存）的数据吞吐量可分别达到和以上。这里的带宽只有一半左右，主要是由于在过程中计入了系统读取内存的时间开销而在时写入内存的时间是不被计入的，因而在一定程度上限制了系统性能。蠢一譬基一、旷 姗瑚鲫黜伽姗抛瑚。一次操作的数据长度图内存卡的数据带宽测试（下转页）（）技术。技术能够识别一段文字，并将其转（）用户所定义的变量是否符合平台命名法则的校验、修正：（）用户所开发的知识库是否符合平台；（）用户设计的框架是否符合平

12、台框架设计的要求；（）在维护、修改过程中友好地提示用户进行正确的操作，如果操作错误则返回重新操作。化为人声为人机交互提供了另一条有效的通道听觉通道。引导系统以实时的人声向用户提供动态个性化的详细信息，大大提高了开发者的工作效率，减少了错误的发生。这里我们还配有微软公司开发的动画角色绿鹦鹉，它在不同的场合表演不同的动作。如张嘴、眨眼、飞翔等，给用户在视觉上带来全新的感受。为给用户提高最佳的引导，我们用基于场景的思想来设计相应的引导算法。引导系统的任务简单说来如下：（）通过用户需求调查，结合用户需求。分析理解系统的用户需求，明确系统的任务，确定系统要实现的功能；（）收集、穷举各项功能的应用场景，从

13、处理逻辑结构、计算参数等方面对该类场景进行抽象概括。形成各项功能的构架雏形：（）与该应用领域的专家协作，反复地进行系统构架的评估修正包括处理逻辑结构的完善性评估、修正，以及逻辑结构、计算处理的参数抽象数据的充分必要性分析、修正等；（）进行相应系统框架的实现；（）框架使用与维护，在实际使用过程中不断精练、完善系统框架。如果用户选择通过引导系统来开发知识库。引导系统便能通过语音来正确的引导用户进行开发工作。通过实现如上所述的规划引导，便能引导用户建立符合开发平台知识表示范式的专家系统知识库。知识节点的内容仍然需要用户自定义。还不能够引导用户创建符合领域知识结构的专家系统。系统的结构如图所示田。结论

14、这篇文章详细介绍了一种智能化人机交互模型。该模型能够自动识别用户的基本类型，根据用户自身的认知特性向用户提供最适宜的界面以及帮助。这个模型已经应用在智能化农业信息处理系统开发平台中。并收到了很好的效果。通过这套平台，不同层次的用户都可以用这套平台能很快地开发出符合统一规范的知识库文档。通过认知和自适应控制的共同工作，能够向用户提供最适宜的界面和帮助；通过引导和校验等的协同工作。大大减少了开发知识库时犯错误的几率和机会。由于我国国情的特殊性，许多领域专家在使用计算机将他们的专业领域知识转化为一套合法的知识库时。还存在人机交互上的许多问题。今后我们的研究将更强调交互过程中计算机与人的信息之间自然合理的匹配，目的就是使系统最大限度地满足和应用用户的经验、意旨和知识从而最大限度地提高系统的效率。（收稿期：年月）参考文献董士海，王坚，戴国忠人机交互和多通道用户界面【】北京：科学出版社：【，：，：（），：，：图。：系统的结构】：，【】：，校验系统校验系统主要由一个校验、知识库的范式和，（。），：何新贵模糊知识处理的理论与技术第版北京：国防工业出版社构成，其功能则是在用户开发知识库的过程中，对用户的