Reg istered SDRAM在MPC8241系统中的应用

在嵌入式系统中，传统的SDRAM接口电路设计模式是系统主控芯片直接驱动所有内存芯片的地址／控制信号。当内存芯片数量较多时，这类直接驱动的设计会出现因主控芯片的地址／控制信号驱动能力不足，而导致系统内存工作不稳定的问题。Registered SDRAM是指具有地ti／控制信号锁存电路的SDRAM模块，特点是系统主控芯片的地址／控制信号不直接驱动内存芯片，而是通过地址／控制信号锁存电路驱动内存芯片的地址／控制信号。Registered SDRAM模式降低了主控制芯片地址／控制信号直接驱动的逻辑门数，同时提高了系统SDRAM接口电路的负载能力。当系统的内存芯片数量较多时，Regis_tered SDRAM是一种较好的设计方法。  

1 Reqistered SDRAM的工作原理
   
在Registered SDRAM模式下，当主控芯片对SDRAM芯片进行访问时，数据总线信号(DATA)要比传统模式多延迟一个时钟周期。以主控芯片对SDRAM芯片进行单字节写时的操作时序为例，对两种模式进行对比说明，其他时序的对比不再详述。

对比图1、图2的时序可知，在主控芯片对SDRAM总线发起操作(以CS、CDRAS同时为低电平的时刻为发起时间)到数据总线(DATA)的信号(DO)有效期间，传统模式为2个时钟周期，Registered SDRAM模式为3个时钟周期。Registered SDRAM模式在硬件电路上采用地址／控制信号，要先经过锁存电路的锁存再延迟一个时钟周期输出的方法，消除这一时钟周期的差异。  




  
典型Registered SDRAM接口电路由二部分组成：地址／控制信号锁存电路与时钟扩展电路。地址／控制信号锁存电路通常由2片多通道D触发锁存芯片构成。该电路将主控芯片SDRAM接口的控制信号(CS，DQM[O：7]，SDRAS，SDCAS。CKE，WE)和地址信号(ADDR)进行锁存，并将锁存后输出的信号与所有内存芯片相对应的地址／控制信号输入端连接。锁存时钟由时钟扩展电路产生。在锁存时钟的上升沿对地址／控制信号进行锁存。地址／控制信号锁存电路的另一功能，是对主控芯片与SDRAM芯片之间的连接进行电气隔离，使主控制芯片地址／控制信号直接驱动的逻辑门数得到降低，从而提高系统SDRAM接口电路的驱动能力。

时钟扩展电路的功能是对主控制芯片输出的SDRAM时钟进行扩展，即将输入的一路SDRAM时钟信号，扩展为多路同频时钟输出。其中一路输出时钟作为反馈时钟，反馈给时钟扩展芯片的反馈时钟输入端；另外两路输出时钟作为地址／控制信号锁存电路的锁存时钟，分别驱动2片锁存芯片；其他输出时钟分别输出给不同的SDRAM芯片。原则上，每片SDRAM芯片均有独立的输入时钟。在时钟扩展电路中，可以通过调节各时钟的对地由容值．对各时钟间的相关系进行调整。

对SDRAM芯片而言，Registered SDRAM模式的操作时序与传统模式的操作时序是等同的。这是因为在Regigtered SDRAM模式下，虽然数据信号较地址／控制信号延迟1个时钟周期，但因地址／控制信号要先经过锁存电路的锁存再延迟1个时钟周期输出，因此数据信号与地址／控制信号能同时有效到达SDRAM芯片。这一能同时有效到达的特性与传统模式的时序特性是相同的。  

2 Registered SDRAM接口电路芯片简介

2.1 CDCF2510A
   
CDCF2510A为TI公司生产的低skew(skew<%26;#177;125ps)、低抖动(jitte_cyc_cyc<士70 ps)的PLL时钟驱动器。工作频率范围为25～140 MHz。可将1路输入时钟扩展为10路同频输出时钟，同时具有输出时钟反馈功能。该芯片主要用于SDRAM接口的时钟扩展。芯片的内部逻辑电路如图3所示。  


  
图3所示的CLK为输入时钟；1Y0～1Y9为10路输出扩展时钟；FBOUT、FBIN分别为反馈时钟的输出脚与输入脚；G为扩展时钟输出允许控制脚，高电平有效。

2.2 74ALVCF 162835APA
   
74ALvcFl62835APA为多通道D锁存器。设计采用Fairchild公司的产品。该芯片可同时锁存18位的输入信号。在供电电压为3．O～3．6 V时，锁存延迟tpd(CLK锁存开始到数据输出有效的时间)最大为3．7 ns。  

3 Registered SDRAM在MPC8241嵌入式系统中的设计实现
   
MPC8241为摩托罗拉公司生产的较高性能32位嵌入式CPU，内部主要集成了32位PCI总线接口，SDRAM接口以及可与Flash芯片或简单逻辑接口芯片(如UART控制芯片)等连接的外围总线。其SDRAM接口可工作于多种模式。本设计采用Registered SDRAM模式且对系统提供128 MB内存，设计的SDRAM时钟为1OO MHz。

对128 MB的内存，因MPC8241的SDRAM接口数据总线宽度为64位，所以采用4片16M%26;#215;16数据位的内存芯片，且芯片直接贴装在PCB板上的方式实现。100MHz时钟由．MPC8241产生，经时钟扩展电路扩展之后连接到电路中的其他芯片。硬件电路简图如图5所示。




  
图5中的内存接口电路由二部分组成：地址／控制信号锁存电路与时钟扩展电路。

3.1 地址／控制信号锁存电路
   
该电路是将MPC824l的SDRAM接口输出地址信号和控制信号利用2片74ALVCFl62835APA进行锁存，并将锁存输出信号与所有内存芯片对应脚连接。2片锁存芯片的设计电路如图6、图7所示。  




  
在图6和图7中，U2与U3的右侧信号与MPC8241对应信号相连接，左侧的信号与4片内存芯片的地址／控制信号引脚连接。U2与U3分别利用锁存时钟R_CLK0和R_CLKl的上升沿对输入信号进行锁存。2片锁存芯片的OE、LE脚均设计为低。  
   
内存芯片与MPC8241之间的信号连接如表1所列。  


  
在电路设计时，信号(RCSO、RAO～RAl2、RBA0、RBAl、RRAS、RCAS、RWE、RCKE）与所有内存芯片对应引脚连接。数据信号RDQ0～RDQ63以8位为一组分配给4片内存芯片。

3.2时钟扩展电路
   
时钟扩展电路如图8所示。该电路将MPC8241输出的SDRAM时钟信号CKl通过时钟扩展芯片(CDCVF25I0A)进行同频时钟扩展，即将l路SDRAM时钟信号CKl扩展为6路时钟输出。其中4路输出时钟(PCLK0～PCLK3)分别输出给4颗内存芯片。另外2路时钟(R_CI，K0，R_CLKl)分别与2片锁存芯片的锁存时钟输入脚连接，作为地址／控制信号锁存电路的锁存时钟；同时，输出反馈时钟与芯片时钟反馈输入端连接。


  
4 原理设计与布局布线规则
   
与传统的SDRAM接口电路相比．Registered SDARM电路对线路电气参数的设计约束相对宽松，设计时基本不用考虑主控芯片的驱动能力；但因Registered SDRAM也是较高速的接口电路，因此其电路设计也应遵循一定的规则，以保证设计电路的可靠性和稳定性。

(1)原理设计规则
   
①在各芯片的时钟输入端设计相位调节电容，电容值可设置为10pF，可根据实测数据调整。
   
②在各SDRAM芯片的数据引脚，分别设计串接匹配电阻。匹配电阻值可设置为l0Ω。
   
③每片锁存芯片的锁存时钟分别采用时钟扩展电路的不同输出时钟。
   
④每片SDRAM芯片的输入时钟分别采用时钟扩展电路的不同输出时钟。
   
⑤在时钟扩展芯片的时钟输出脚设计串接匹配电阻。匹配电阻值可设置为l0Ω。
   
⑥锁存芯片的输出端设计串接匹配电阻。匹配电阻值可设置为lOΩ。

(2)布线规则
   
①SDRAM数据线：MPC824l到同-SDRAM芯片的数据信号走线需要进行等长控制，长度误差控制在士5％之内。
   
②SDRAM地址／控制线：锁存芯片到同-SDRAM芯片的地址／控制信号走线需要进行等长控制，长度误差控制在士5％之内。
   
③时钟扩展电路输出到锁存芯片的2路锁存时钟，其走线需要进行等长控制，长度误差控制在士l.27mm之内。
   
④时钟扩展电路输出到SDRAM芯片的4路时钟，其走线需要进行等长控制，长度误差控制在士l.27 mm之内。
   
⑤锁存芯片到SDRAM芯片的地址／控制信号与时钟扩展电路到相应SDRAM芯片的时钟走线长度基本等长，长度误差控制在%26;#177;5％以内。
   
⑥时钟扩展电路反馈时钟走线长度与时钟扩展电路到SDRAM芯片的时钟平均走线长度基本等长，长度误差控制在士l0％以内。
   
⑦MPC824l与SDRAM芯片之间的数据线、地址线、控制线以及时钟线的走线长度基本等长，长度误差控制在%26;#177;10%以内。

(3)布局规则
   
①所有相位调节电容靠近接收端放置。
   
②所有时钟串接匹配电阻靠近发送端放置。
   
③SDRAM芯片数据引脚的串接匹配电阻靠近SDRAM芯片。
   
④锁存芯片输出端的串接匹配电阻靠近输出端放置。

(4)其他设计规則
   
①各走线须进行阻抗控制，即单端线按50Ω阻抗进行控制。
   
②芯片的电源脚须设汁退耦电容，容值可取O.1μF。原则上，每个电源脚均须设计一退耦电容且布局时尽可能靠近电源脚。
   
③完整的地层和电源层，至少应保证完整的地层。
   
④时钟信号尽量走内层，以减小EMI。  

5 设计电路的调试
   
按照上述规则设计的硬件电路，通常只需对相位调节电容值略作调整即可实现在100 MHz的SDRAM时钟下稳定工作。相位调节电容值的范围一般为5"15pF。若时序参数的裕量足够，相位调节电容也可不焊接。  

结 语
   
上述内容对在同类型的嵌入式系统中进行Regis-tered SDRAM电路设计有一定的参考价值。Registered内存设计方法是一种较好的大容量内存设计方法，在高性能计算机上已经得到广泛应用，但在嵌入式系统中还不为大多数科研工作者所熟悉。这里，推荐给各位同行，期望共同探讨。