淺談SDRAM在windows CE系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計

隨著嵌入式產(chǎn)品的發(fā)展，各種嵌入式操作系統(tǒng)，以及嵌入式上層應(yīng)用軟件層出不窮。國內(nèi)普遍認同的嵌入式系統(tǒng)定義為：以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)?？梢赃@樣認為，嵌入式系統(tǒng)是一種專用的計算機系統(tǒng)，作為裝置或設(shè)備的一部分。通常，嵌入式系統(tǒng)是一個控制程序存儲在ROM中的嵌入式處理器控制板。事實上，所有帶有數(shù)字接口的設(shè)備，如手表、微波爐、錄像機、汽車等，都使用嵌入式系統(tǒng)，有些嵌入式系統(tǒng)還包含操作系統(tǒng)，但大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是是由單個程序?qū)崿F(xiàn)整個控制邏輯。一個嵌入式系統(tǒng)裝置一般都由嵌入式計算機系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成，嵌入式計算機系統(tǒng)是整個嵌入式系統(tǒng)的核心，由硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層組成。執(zhí)行裝置也稱為被控對象，它可以接受嵌入式計算機系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務(wù)。執(zhí)行裝置可以很簡單，如手機上的一個微小型的電機，當手機處于震動接收狀態(tài)時打開；也可以很復(fù)雜，如SONY 智能機器狗，上面集成了多個微小型控制電機和多種傳感器，從而可以執(zhí)行各種復(fù)雜的動作和感受各種狀態(tài)信息。

1 隨機存儲器介紹

隨機存儲器主要分為靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）、動態(tài)隨機存儲器（DRAM）及SDRAM。1個SRAM單元通常由4～6個晶體管組成，當這個SRAM單元被賦予O或者1的狀態(tài)之后，它會保持這個狀態(tài)直到下次被賦予新的狀態(tài)或者斷電之后才會更改或者消失。SRAM的讀寫速度相對比較快，而且比較省電，但是存儲1 b的信息需要4～6只晶體管。DRAM和SDRAM必須在一定的時間內(nèi)不停地刷新才能保持其中存儲的數(shù)據(jù)，但存儲1 b的信息只要1只晶體管就可以實現(xiàn)。RAM（隨機存取存儲器）RAM -random access memory 隨機存儲器。存儲單元的內(nèi)容可按需隨意取出或存入，且存取的速度與存儲單元的位置無關(guān)的存儲器。這種存儲器在斷電時將丟失其存儲內(nèi)容，故主要用于存儲短時間使用的程序。 按照存儲信息的不同，隨機存儲器又分為靜態(tài)隨機存儲器（Static RAM,SRAM）和動態(tài)隨機存儲器（Dynamic RAM,DRAM）。在計算機的組成結(jié)構(gòu)中，有一個很重要的部分，就是存儲器。存儲器是用來存儲程序和數(shù)據(jù)的部件，對于計算機來說，有了存儲器，才有記憶功能，才能保證正常工作。存儲器的種類很多，按其用途可分為主存儲器和輔助存儲器，主存儲器又稱內(nèi)存儲器（簡稱內(nèi)存），輔助存儲器又稱外存儲器（簡稱外存）。外存通常是磁性介質(zhì)或光盤，像硬盤，軟盤，磁帶，CD等，能長期保存信息，并且不依賴于電來保存信息，但是由機械部件帶動，速度與CPU相比就顯得慢的多。

2 硬件設(shè)計方案

2.1 SDRAM工作原理

SDRAM本身是由多個Bank區(qū)域構(gòu)成，對SDRAM的操作實際上是通過區(qū)域片選信號對單獨Bank進行的操作。SDRAM中單個Bank的讀取過程如圖1所示。

（1）通過地址總線將行地址傳輸?shù)降刂芬_；

（2）RAS（行地址使能信號）被激活，這樣行地址被傳送到行地址門閂線路中；

（3）行地址解碼器根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)選擇相應(yīng)的行；

（4）wE（寫使能信號）引腳確定不被激活，所以SDRAM知道它不會進行寫操作；

（5）列地址通過地址總線傳輸?shù)降刂芬_；

（6）CAS（列地址使能信號）引腳被激活，這樣地址被傳送到列地址門閂線路中；

（7）DQM（輸出使能）引腳被激活，數(shù)據(jù)向外輸出。

這就完成了一個單Bank的讀操作，在讀取數(shù)據(jù)的過程中行列地址的尋址過程是通過兩個時鐘周期實現(xiàn)的，在第一個時鐘周期使能行地址，下一個時鐘周期使能列地址。

SDRAM寫入的過程和讀取過程是基本一樣的，只需要將wE信號激活。

2.2 硬件設(shè)計

對于SDRAM的硬件設(shè)計需要確定3個方面的內(nèi)容：通過處理器的特性選擇SDRAM的型號；確定SDRAM地址線、數(shù)據(jù)線的連接方式；確定SDRAM控制信號線的連接方式。

2.2.1 SDRAM的選擇

該平臺處理器選擇Intel公司XSCALE架構(gòu)的PXA255，它針對于SDRAM有4根專用的動態(tài)片選信號，能夠支持4塊內(nèi)存區(qū)域，如圖2所示。

其中每塊區(qū)域所能支持到的最大物理地址為64 MB。并且每一塊內(nèi)存區(qū)域均可使用16 b或32 b的SDRAM。

在硬件設(shè)計過程中考慮到硬件使用的可調(diào)節(jié)性，采用8片16 b×4 MB×4 Bank的SDRAM，共搭建了256 MB的極限存儲空間。其中，SDRAM選擇型號為三星公司的K4S561632E。

2.2.2 數(shù)據(jù)線、地址線的分配

PXA255處理器共有32位數(shù)據(jù)線和26位地址線。故在硬件設(shè)計時需要并行處理2塊16 b的SDRAM，分別連接高位和低位的16根數(shù)據(jù)線。

對于地址線的連接，首先需要參考SDRAM的數(shù)據(jù)手冊，確定SDRAM行列地址線的個數(shù)。其次根據(jù)處理器數(shù)據(jù)手冊確定具體地址線的連接方式。

在三星K4S561632E的數(shù)據(jù)手冊中是這樣給出的，如表1所示。

從表1中可以得出行列復(fù)用13根地址線，其中行地址13根，列地址9根，共組成22根地址線的尋址空間。在處理器PXA255中，給SDRAM分配的地址線空間是從A10～A22。這樣就可以完全確定地址線和數(shù)據(jù)線的連接方式，如圖3所示。

2.2.3 控制信號線的連接方式

對于SDRAM需要確定的控制線包括時鐘信號線、區(qū)域片選信號線及Bank片選信號線。對于這三類信號線PXA255處理器是這樣給出的，即：

（1）每兩組內(nèi)存區(qū)域使用同一組時鐘信號線，即每128 MB的內(nèi)存空間使用同一根時鐘信號線，故在設(shè)計中使用了2組時鐘信號線。

（2）共有4根區(qū)域片選信號，分別控制64 MB的物理地址空間。最大支持到256 MB的物理地址空間。

（3）地址線的23，24位用來實現(xiàn)對SDRAM內(nèi)部Bank的選擇。

2.3 硬件的移植

針對于PXA27x系列的高端處理器，Intel并沒有對SDRAM部分做本質(zhì)上的改動，仍然是4根動態(tài)片選信號，故硬件方面的設(shè)計可以完全移植到PXA27x系列的處理器中。

3 軟件設(shè)計方案

Windows CE操作系統(tǒng)下對內(nèi)存的驅(qū)動代碼主要分為兩個部分，首先在BootLoader中對SDRAM進行底層初始化；其次在系統(tǒng)BSP包內(nèi)需要將SDRAM所對應(yīng)的物理地址映射為Windows CE下能夠識別的虛擬地址。

控制線的連接方式如圖4所示。

3.1 BootLoader代碼的買現(xiàn)

BootLoader是系統(tǒng)運行的起始點，它包含著系統(tǒng)運行的第一行代碼。BootLoader本身也是一個功能完整的微型操作系統(tǒng)，在內(nèi)部需要實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)，以及各種必要設(shè)備驅(qū)動程序的配置?？刂凭€的連接方式如圖4所示。

（1）頻率設(shè)置

完成寄存器的復(fù)值，其中r3的選擇為F即就是0x1111，打開4片內(nèi)存區(qū)域。

（3） 刷新間隔設(shè)置。關(guān)于刷新間隔值（DIR）的計算在手冊中是這樣給出的：

目前公認的標準是，存儲體中電容的數(shù)據(jù)有效保存期上限是64 ms，也就是說每一行刷新的循環(huán)周期是64 ms。這樣刷新速度為：64 ms／行數(shù)量。由于行地址有13位（在MDCNFG寄存器的DRACO[1：0]中設(shè)置，需要與硬件一致）。

（4） 潛伏期的設(shè)置。潛伏期是指SDRAM在讀寫過程中所存在的延遲，潛伏期的時間長度是由以下幾個參數(shù)共同決定的：

CL：在選定列地址后，就已經(jīng)確定了具體的存儲單元，剩下的事情就是數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)I／O通道（數(shù)據(jù)總線）輸出到內(nèi)存總線上。但是在CAS發(fā)出之后，仍要經(jīng)過一定的時間才能有數(shù)據(jù)輸出，從CAS與讀取命令發(fā)出到第一筆數(shù)據(jù)輸出的這段時間被稱為讀取潛伏期。tRP：在發(fā)出預(yù)充電命令之后，要經(jīng)過一段時間才能允許發(fā)送行有效命令打開新的工作行，這個間隔被稱為預(yù)充電有效周期（Precharge command Period）。tRCD：在發(fā)送列讀寫命令時必須要與行有效命令有一個間隔，這個間隔被定義為tRCD，即RAS to CASDelay（RAS至CAS延遲），也可以理解為行選通周期。tRAS：行有效至預(yù)充電命令間隔周期。tRC：包括行單元開啟和行單元刷新在內(nèi)的整個過程所需要的時間。

所有參數(shù)可以從SDRAM數(shù)據(jù)手冊得到，計算出理論潛伏期時長為200／μs。

（5）其他設(shè)置

設(shè)置操作系統(tǒng)的入口點，這里用到的虛擬地址需要與系統(tǒng)中建立的映射表相對應(yīng)。

3.2 BSP內(nèi)代碼的實現(xiàn)

Windows cE系統(tǒng)啟動中，對SDRAM的操作分為兩個部分：首先對SDRAM的物理空間進行分配；其次將SDRAM所對應(yīng)的物理地址轉(zhuǎn)換為虛擬地址。

3.2.1 地址的分配

地址的分配和系統(tǒng)加載的順序有著密切的關(guān)系。首先要在內(nèi)存中開辟一段空間用來存放啟動代碼BootLoader，它被存放在sDRAM的第一個區(qū)域空間內(nèi)。當發(fā)生外部復(fù)位中斷時系統(tǒng)會從這里重新開始運行。其次分配操作系統(tǒng)內(nèi)核空間，它被存放在SDRAM的第二個區(qū)域，以便使BootLoader能夠順利加載操作系統(tǒng)內(nèi)核。

3.2.2 地址的映射

在操作系統(tǒng)中，需要把SDRAM的空間連續(xù)起來并作為首地址，不僅方便內(nèi)存管理，而且當應(yīng)用程序申請大塊內(nèi)存時，操作系統(tǒng)內(nèi)核也可方便的分配。這就引入了將不連續(xù)的物理地址空間映射為連續(xù)的虛擬地址空間。PXA255的SDRAM起始物理地址OxA0000000，可將其映射為0x80000000，這里0x80000000將作為系統(tǒng)虛擬空間的起始地址，當有IRQ中斷發(fā)生時，系統(tǒng)PC指針會重新指向這個地址。

3.2.3 軟件的移植

針對于PXA27x系列的高端處理器，微軟在Plat-Build 5.0中給出了相對應(yīng)的內(nèi)核代碼雖然在內(nèi)核代碼的架構(gòu)上有了很大的變化，但對于擴展SDRAM的思想并沒有改變，首先在BootLoader中初始化所使用的SDRAM，其次在BSP內(nèi)建立地址映射表。

4 結(jié) 語

介紹了在嵌入式Windows CE系統(tǒng)平臺上，使用大容量SDRAM作為動態(tài)存儲設(shè)備的方案。詳細介紹了sDRAM硬件連接方案以及軟件接口的實現(xiàn)。該方案已經(jīng)在工程設(shè)計中投入使用，其可以在同類的嵌入式高端產(chǎn)品中推廣使用。