PDMA在測試SDRAM控制器中的應(yīng)用
[導(dǎo)讀]我們設(shè)計(jì)了一個PDMA（Programmable Direct Mem o ry Access）用于測試SDRAM控制器的性能。在SoC中，SDRAM控制器往往跟多個IP模塊（圖形處理單元，音頻處理單元等）交換數(shù)據(jù)，采用多個PDMA通道同時訪問Memory可以真實(shí)
我們設(shè)計(jì)了一個PDMA（Programmable Direct Mem o ry Access）用于測試SDRAM控制器的性能。在SoC中，SDRAM控制器往往跟多個IP模塊（圖形處理單元，音頻處理單元等）交換數(shù)據(jù)，采用多個PDMA通道同時訪問Memory可以真實(shí)模擬SDRAM控制器在SoC環(huán)境中被多個IP隨機(jī)訪問的情形。
2 PDMA的結(jié)構(gòu)及工作原理
PDMA是可編程直接存儲器存取的簡稱。圖1 虛中框內(nèi)是PDMA的內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)，它主要由寄存器組和控制器兩大部分構(gòu)成，寄存器組用于保存配置參數(shù)和PDMA對SDRMA控制器訪問后的狀態(tài)信息及接收、啟動、停止等控制信息。圖2是 PDMA寄存器組的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
寄存器組模塊里包含了一個同步模塊、控制寄存器、狀態(tài)寄存器和各通道的寄存器組。每一個子通道的寄存器組又包含訪問基址寄存器、訪問模式寄存器、周期計(jì)數(shù)器等三個寄存器。各寄存器的功能描述如表1所示。
PDMA的控制器主要由：產(chǎn)生寫數(shù)據(jù)的狀態(tài)機(jī)、地址譯碼模塊、FIFO以及讀數(shù)據(jù)校驗(yàn)?zāi)K四部分構(gòu)成。各模塊的功能由表2描述。
PDMA控制器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其核心邏輯是一個狀態(tài)機(jī)，我們采用一個兩層嵌套的狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)控制功能，如圖4所示。
3 測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理
在本設(shè)計(jì)中，PDMA用于仿真多個IP核對SDRAM控制器進(jìn)行讀寫訪問以驗(yàn)證SDRAM控制器的設(shè)計(jì)是否高效合理，性能是否穩(wěn)定等指標(biāo)。
PDMA整個測試系統(tǒng)由PCI接口模塊、PDMA 以及SDRAM控制器三大部分構(gòu)成（見圖1）。PCI接口模塊與PDMA之間以內(nèi)部IO總線相連接。 PDMA與SDRAM控制器之間以內(nèi)部Memory總線連接。PCI接口模塊連接外部PCI總線與內(nèi)部的 PDMA，轉(zhuǎn)換由外部發(fā)起的PCI IO訪問對PDMA進(jìn)行參數(shù)配置以及對命令、狀態(tài)等寄存器進(jìn)行讀寫。PDMA在得到了配置參數(shù)及啟動訪問的命令信息后啟動對SDRAM控制器的訪問(寫然后讀)，并把測試的結(jié)果反映到PDMA的狀態(tài)寄存里。
測試用PDMA的具體工作過程如下：
（1）PCI接口模塊對PDMA各通道進(jìn)行參數(shù)配置（如訪問長度、訪問基址、訪問方式等）；
（2）PCI接口模塊寫PDMA的控制寄存器，啟動對SDRAM的讀寫；
（3）PCI接口模塊讀PDMA的狀態(tài)寄存器，探測訪問是否完成，如完成，則讀取完成后的狀態(tài)信息（如錯誤位，發(fā)生錯誤的地址）。
4 RTL仿真
完成RTL級的設(shè)計(jì)后，我們利用Cadence公司的仿真工具VerilogXL對設(shè)計(jì)進(jìn)行了功能仿真。仿真的環(huán)境是基于PCI的，所以其仿真順序如下：
（1）配置PCI配置空間的IO Base 及 Mem o ry Base寄存器；
（2）寫PCI配置空間54H，58H等寄存器，配置SDRAM 控制器及SDRAM芯片的參數(shù)；
（3）寫PCI配置空間的命令寄存器（offset==04h），使能該設(shè)備；
（4）訪問PCI IO空間中的PDMA配置寄存器，設(shè)定各個PDMA通道的配置參數(shù)；
（5）寫入相應(yīng)的命令，啟動PDMA訪問內(nèi)新路子SDRAM控制器；
（6）檢測PDMA的狀態(tài)寄存器，根據(jù)設(shè)定的條件（正常結(jié)束或者發(fā)生錯誤）退出仿真程序；
（7）打開波形文件，檢查是否有錯誤發(fā)生。
圖5是由PCI發(fā)起的一次寫IO寄存器訪問的仿真波形，PDMA的配置數(shù)據(jù)就是通過若干這樣的操作完成的。
相對而言，我們更關(guān)注PDMA是如何訪問Memory的。圖6是由一個PDMA發(fā)起的寫讀模式下的訪問時序。GROUP1的信號是由PDMA發(fā)起的內(nèi)部Memory總線信號組，而GROUP2的信號是 Memory控制器和內(nèi)存芯片間的符合jedec標(biāo)準(zhǔn)的總線協(xié)議。從圖中我們可以清楚地看到總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換過程，及時發(fā)現(xiàn)是否有違反協(xié)議的情況發(fā)生。
5 上板測試的方法和過程
在完成功能仿真后，使用Synopsys綜合工具 FPGA compiler對設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合，并選用XILINX公司的VERTEX1600E系列為目標(biāo)器件，生成相應(yīng)的網(wǎng)表文件，下載到FPGA上進(jìn)行測試。綜合的結(jié)果如表3所示。測試平臺是一臺PC機(jī)，帶有PCI標(biāo)準(zhǔn)接口的測試卡和PCI讀寫軟件。上板測試過程如下：
（1）下載bit文件到FPGA中；
（2）配置SDRAM控制器；
（3）置PDMA寄存器；
（4）啟動PDMA訪問；
（5）讀回PDMA的狀態(tài)位。
測試時需要輸入相應(yīng)的測試向量，一個好的軟件界面可以大大減輕硬件工程師編寫、輸入測試向量的工作量。表4是一個測試向量的內(nèi)容和結(jié)果，像這樣的測試要進(jìn)行多次以提高故障覆蓋率并統(tǒng)瞥鯥P的性能。
6 實(shí)驗(yàn)結(jié)論
經(jīng)過不斷調(diào)試和改進(jìn)，PDMA能夠按照功能寄存器的配置準(zhǔn)確發(fā)起Memory訪問，并能夠及時報告SDRAM控制器的操作錯誤。該測試平臺不僅適用于驗(yàn)證SDRAM控制器的設(shè)計(jì)，而且在經(jīng)過很小的改動后可以配置成支持對性能更好的DDR存儲控制器的測試驗(yàn)證。靈活的配置方式使之成為一個通用的測試平臺，對不同的Memory控制器的測試只需用軟件對相應(yīng)的配置寄存器進(jìn)行配置即可，硬件基本不用進(jìn)行改動，大大節(jié)約了設(shè)計(jì)時間，提高了設(shè)計(jì)的成功率和效益。
2 PDMA的結(jié)構(gòu)及工作原理
PDMA是可編程直接存儲器存取的簡稱。圖1 虛中框內(nèi)是PDMA的內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)，它主要由寄存器組和控制器兩大部分構(gòu)成，寄存器組用于保存配置參數(shù)和PDMA對SDRMA控制器訪問后的狀態(tài)信息及接收、啟動、停止等控制信息。圖2是 PDMA寄存器組的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
寄存器組模塊里包含了一個同步模塊、控制寄存器、狀態(tài)寄存器和各通道的寄存器組。每一個子通道的寄存器組又包含訪問基址寄存器、訪問模式寄存器、周期計(jì)數(shù)器等三個寄存器。各寄存器的功能描述如表1所示。
PDMA的控制器主要由：產(chǎn)生寫數(shù)據(jù)的狀態(tài)機(jī)、地址譯碼模塊、FIFO以及讀數(shù)據(jù)校驗(yàn)?zāi)K四部分構(gòu)成。各模塊的功能由表2描述。
PDMA控制器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其核心邏輯是一個狀態(tài)機(jī)，我們采用一個兩層嵌套的狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)控制功能，如圖4所示。
3 測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理
在本設(shè)計(jì)中，PDMA用于仿真多個IP核對SDRAM控制器進(jìn)行讀寫訪問以驗(yàn)證SDRAM控制器的設(shè)計(jì)是否高效合理，性能是否穩(wěn)定等指標(biāo)。
PDMA整個測試系統(tǒng)由PCI接口模塊、PDMA 以及SDRAM控制器三大部分構(gòu)成（見圖1）。PCI接口模塊與PDMA之間以內(nèi)部IO總線相連接。 PDMA與SDRAM控制器之間以內(nèi)部Memory總線連接。PCI接口模塊連接外部PCI總線與內(nèi)部的 PDMA，轉(zhuǎn)換由外部發(fā)起的PCI IO訪問對PDMA進(jìn)行參數(shù)配置以及對命令、狀態(tài)等寄存器進(jìn)行讀寫。PDMA在得到了配置參數(shù)及啟動訪問的命令信息后啟動對SDRAM控制器的訪問(寫然后讀)，并把測試的結(jié)果反映到PDMA的狀態(tài)寄存里。
測試用PDMA的具體工作過程如下：
（1）PCI接口模塊對PDMA各通道進(jìn)行參數(shù)配置（如訪問長度、訪問基址、訪問方式等）；
（2）PCI接口模塊寫PDMA的控制寄存器，啟動對SDRAM的讀寫；
（3）PCI接口模塊讀PDMA的狀態(tài)寄存器，探測訪問是否完成，如完成，則讀取完成后的狀態(tài)信息（如錯誤位，發(fā)生錯誤的地址）。
4 RTL仿真
完成RTL級的設(shè)計(jì)后，我們利用Cadence公司的仿真工具VerilogXL對設(shè)計(jì)進(jìn)行了功能仿真。仿真的環(huán)境是基于PCI的，所以其仿真順序如下：
（1）配置PCI配置空間的IO Base 及 Mem o ry Base寄存器；
（2）寫PCI配置空間54H，58H等寄存器，配置SDRAM 控制器及SDRAM芯片的參數(shù)；
（3）寫PCI配置空間的命令寄存器（offset==04h），使能該設(shè)備；
（4）訪問PCI IO空間中的PDMA配置寄存器，設(shè)定各個PDMA通道的配置參數(shù)；
（5）寫入相應(yīng)的命令，啟動PDMA訪問內(nèi)新路子SDRAM控制器；
（6）檢測PDMA的狀態(tài)寄存器，根據(jù)設(shè)定的條件（正常結(jié)束或者發(fā)生錯誤）退出仿真程序；
（7）打開波形文件，檢查是否有錯誤發(fā)生。
圖5是由PCI發(fā)起的一次寫IO寄存器訪問的仿真波形，PDMA的配置數(shù)據(jù)就是通過若干這樣的操作完成的。
相對而言，我們更關(guān)注PDMA是如何訪問Memory的。圖6是由一個PDMA發(fā)起的寫讀模式下的訪問時序。GROUP1的信號是由PDMA發(fā)起的內(nèi)部Memory總線信號組，而GROUP2的信號是 Memory控制器和內(nèi)存芯片間的符合jedec標(biāo)準(zhǔn)的總線協(xié)議。從圖中我們可以清楚地看到總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換過程，及時發(fā)現(xiàn)是否有違反協(xié)議的情況發(fā)生。
5 上板測試的方法和過程
在完成功能仿真后，使用Synopsys綜合工具 FPGA compiler對設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合，并選用XILINX公司的VERTEX1600E系列為目標(biāo)器件，生成相應(yīng)的網(wǎng)表文件，下載到FPGA上進(jìn)行測試。綜合的結(jié)果如表3所示。測試平臺是一臺PC機(jī)，帶有PCI標(biāo)準(zhǔn)接口的測試卡和PCI讀寫軟件。上板測試過程如下：
（1）下載bit文件到FPGA中；
（2）配置SDRAM控制器；
（3）置PDMA寄存器；
（4）啟動PDMA訪問；
（5）讀回PDMA的狀態(tài)位。
測試時需要輸入相應(yīng)的測試向量，一個好的軟件界面可以大大減輕硬件工程師編寫、輸入測試向量的工作量。表4是一個測試向量的內(nèi)容和結(jié)果，像這樣的測試要進(jìn)行多次以提高故障覆蓋率并統(tǒng)瞥鯥P的性能。
6 實(shí)驗(yàn)結(jié)論
經(jīng)過不斷調(diào)試和改進(jìn)，PDMA能夠按照功能寄存器的配置準(zhǔn)確發(fā)起Memory訪問，并能夠及時報告SDRAM控制器的操作錯誤。該測試平臺不僅適用于驗(yàn)證SDRAM控制器的設(shè)計(jì)，而且在經(jīng)過很小的改動后可以配置成支持對性能更好的DDR存儲控制器的測試驗(yàn)證。靈活的配置方式使之成為一個通用的測試平臺，對不同的Memory控制器的測試只需用軟件對相應(yīng)的配置寄存器進(jìn)行配置即可，硬件基本不用進(jìn)行改動，大大節(jié)約了設(shè)計(jì)時間，提高了設(shè)計(jì)的成功率和效益。
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