如何利用EPLD实现TMS320C5402与SDRAM接口？

　　在多媒体应用中，多媒体信息绝大部分是视频数据和音频数据，而数字化的视频数据和音频数据的数据量是非常庞大的。为了能够及时完整地处理前端采集的数据，一般系统都采用高速DSP和大容量缓冲存储器，且缓冲存储器一般选用同步动态随机存储器（SDRAM）。由于DSP不能直接与SDRAM接口，而且SDRAM控制时序比较复杂，因此本文介绍如何利用电可擦除可编程逻辑器件实现TMS320C5402与SDRAM的接口。
　　1 SDRAM结构和命令
　　SDRAM是一种具有同步接口的高速动态随机存储器，本文选用的是Samsung公司512K×16Bit×2组的KM416S1120D。SDRAM的同步接口和内部流水线结构允许存储外部高速数据，其内部结构框图如图1所示。
　　
　　SDRAM的所有输入和输出都与系统时钟CLK上升沿同步，并且由输入信号RAS、CAS、WE组合产生SDRAM控制命令，其基本的控制命令如表1所示。
　　
　　在具体操作SDRAM时，首先必须通过MRS命令设置模式寄存器，以便确定SDRAM的列地址延迟、突发类型、突发长度等工作模式；再通过ACT命令激活对应地址的组，同时输入行地址；然后通过RD或WR命令输入列地址，将相应数据读出或写入对应的地址；操作完成后用PCH命令或BT命令中止读或写操作。在没有操作的时候，每32ms必须用ARF命令刷新数据（2048行），防止数据丢失。
　　2 FLEX10K系列EPLD特点
　　FLEX10K系列EPLD是工业界第一个嵌入式的可编程逻辑器件，主要由嵌入式阵列块（EAB）、逻辑阵列块（LAB）、快速布线通道（FastTrack）和I/O单元组成，具有如下特点：
　　（1）片上集成了实现宏函数的嵌入式阵列和实现普通函数的逻辑阵列；
　　（2）具有10000～250000个可用门；
　　（3）支持多电压I/O接口，遵守PCI总线规定，内带JTAG边界扫描测试电路；
　　（4）可快速预测连线延时的快速通道连续式布线结构；
　　（5）多达6个全局时钟信号和4个全局清除信号；
　　（6）增强功能的I/O引脚，每个引脚都有一个独立的三态输出使能控制，都有漏极开路选择。
　　3 TMS320C5402和SDRAM接口设计
　　TMS320C5402和SDRAM接口电路方框图如图2所示。
　　
　　命令接口主要对DSP送来的SDRAM的地址和操作命令进行解码（命令编码见表1）；刷新控制主要对SDRAM数据刷新进行计时，确保32ms刷新2048行数据；仲裁电路主要对读写命令和刷新命令进行仲裁，杜绝同时操作，防止数据丢失；命令产生器主要用来产生控制SDRAM的各种时序，完成SDRAM的读、写和刷新，同时控制FIFO的读、写操作；FIFO是DSP与SDRAM之间的数据通道，深度为256，其作用是充分利用SDRAM的突发读写功能，提高系统速度，同时简化DSP软件设计。
　　3.1 命令接口和刷新控制电路设计
　　命令接口电路主要由命令寄存器、命令译码器、SDRAM行列地址锁存器、模式寄存器组成。其中命令寄存器映射为DSP的I/O空间0001H，SDRAM行和列地址锁存器分别映射为DSP的I/O空间0002H和0003H，模式寄存器映射为DSP的I/O空间0004H，具体控制命令和I/O地址分配如表2、表3所示。
　　
　　DSP每次进行读、写操作时，首先向其I/O空间0002H和0003H写入SDRAM行和列地址，然后向I/O空间0001H写入控制命令，命令译码器根据命令寄存器中命令，译码后向仲裁电路发出读写请求。
　　刷新控制电路主要由1562计数器构成。由于TMS320C5402时钟频率为100MHz，SDRAM要求在32ms之内刷新2048行数据，因此该计数器计数值应小于：
　　32ms/2048/0.01μs＝1562.5。当计数器计满1562次时，刷新控制电路向仲裁电路发出刷新要求。
　　3.2 仲裁电路和命令产生器设计
　　仲裁电路接收命令接口模块解码的命令和刷新控制模块的刷新请求，产生适当的控制命令，其中刷新请求的优先级较高。当来自DSP的命令和来自刷新控制模块的刷新请求同时到达时，则首先执行刷新操作，然后执行来自DSP的命令。这样可以防止SDRAM的数据丢失。由此可知，仲裁电路实质上是一个优先级选择器。
　　命令产生器主要产生SDRAM读、写和刷新的控制时序（具体时序可见参考文献1）以及FIFO的读写控制信号，用以对SDRAM进行各种操作，其实质上是一个Mealy型状态机，利用VHDL语言可以很方便地实现，其状态转移图如图3所示。
　　
　　3.3 FIFO设计
　　FIFO电路是DSP与SDRAM进行数据交换的通道，通过FIFO电路可以很好地实现DSP对SDRAM的读写。FIFO电路被映射为DSP的I/O空间0000H（见表2），DSP对SDRAM的每次读或写，都对DSP的I/O空间0000H操作，简化了DSP软件设计。利用FLEX10K系列EPLD内部嵌入式阵列块（EAB）和参数化模块库（LPM），可以很快地构造出256×16的FIFO电路，FIFO的设计比较简单。VHDL描述具体如下（注意在程序开始处添加LPM库）：
　　FIFO256 CSFIFO
　　GENERIC MAP LPM_WIDTH ＜＝ 16；LPM_NUM－
　　WORDS ＜＝ 256　；
　　PORT MAP data ＜＝ ？LPM_WIDTH-1 DOWNTO 0　；
　　wreq ＜＝ wr；rreq ＜＝ rd；
　　clock ＜＝ clk50；clockx2 ＜＝ clk100；
　　clr ＜＝ clr；sclr ＜＝ sclr；
　　empty ＜＝ empty；full ＜＝ full；
　　q＜＝q？LPM_WIDTH-1 DOWNTO 0　　；
　　由于EPLD通用、高速及价廉的特点，因此具有很好的实际应用前景，尤其适用于需要大容量高速缓冲存储器的多媒体应用。