摘 要：擴(kuò)大同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SDRAM)的容量是提升嵌入式產(chǎn)品性能的關(guān)鍵問(wèn)題。這里基于Intel公司的PXA255處理器提出一種大容量sDRAM的硬件設(shè)計(jì)方法，并在微軟提供的板級(jí)支撐包(BSF’)的基礎(chǔ)上編寫(xiě)了一套在win—dows CE嵌入式操作系統(tǒng)下支持此硬件設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)程序。該方法不僅在本平臺(tái)上取得了較好的結(jié)果，且可以移植到Intel更加高端的27x系列處理器中，為嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品具備大容量?jī)?nèi)存提供了方法。
關(guān)鍵詞：WindoWs CE；動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器；啟動(dòng)程序；地址映射

    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。這就對(duì)大容量SDRAM的需求日益增強(qiáng)。目前用于嵌入式產(chǎn)品中的存儲(chǔ)器主要有FLASH和SDRAM。FLASH作為靜態(tài)存儲(chǔ)器，被應(yīng)用于存放啟動(dòng)代碼和操作系統(tǒng)內(nèi)核，SDRAM作為動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器，被應(yīng)用于存放實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)信息。在此，采用Intel的PXA255處理器。使用32 MB的NOR FLASH作為放置啟動(dòng)代碼和操作系統(tǒng)的靜態(tài)存儲(chǔ)空間，使用256 MB的SDRAM作為動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)空問(wèn)，使用2 GB的CF卡作為應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間，并與液晶顯示屏、音頻、觸摸一起構(gòu)成一個(gè)功能強(qiáng)大的嵌入式體系。

1 隨機(jī)存儲(chǔ)器介紹
    隨機(jī)存儲(chǔ)器主要分為靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)及SDRAM。1個(gè)SRAM單元通常由4～6個(gè)晶體管組成，當(dāng)這個(gè)SRAM單元被賦予O或者1的狀態(tài)之后，它會(huì)保持這個(gè)狀態(tài)直到下次被賦予新的狀態(tài)或者斷電之后才會(huì)更改或者消失。SRAM的讀寫(xiě)速度相對(duì)比較快，而且比較省電，但是存儲(chǔ)1 b的信息需要4～6只晶體管。DRAM和SDRAM必須在一定的時(shí)間內(nèi)不停地刷新才能保持其中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，但存儲(chǔ)1 b的信息只要1只晶體管就可以實(shí)現(xiàn)。在數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的過(guò)程中，SRAM，DRAM及SDRAM均有不同的工作方式。DRAM和SDRAM相對(duì)于SRAM增加了多路尋址技術(shù)，即利用2個(gè)連續(xù)的周期傳輸?shù)刂窋?shù)據(jù)，達(dá)到使用一半的地址線，以完成SRAM同樣功能的目的。SDRAM相對(duì)于DRAM不僅提出了多Bank的工作模式，并且SDRAM與CPU和芯片組共享時(shí)鐘，芯片組可以主動(dòng)地在每個(gè)時(shí)鐘的上升沿發(fā)給sDRAM控制命令。

2 硬件設(shè)計(jì)方案
2．1 SDRAM工作原理
    SDRAM本身是由多個(gè)Bank區(qū)域構(gòu)成，對(duì)SDRAM的操作實(shí)際上是通過(guò)區(qū)域片選信號(hào)對(duì)單獨(dú)Bank進(jìn)行的操作。SDRAM中單個(gè)Bank的讀取過(guò)程如圖1所示。

    (1)通過(guò)地址總線將行地址傳輸?shù)降刂芬_；
    (2)RAS(行地址使能信號(hào))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(xiě)使能信號(hào))引腳確定不被激活，所以SDRAM知道它不會(huì)進(jìn)行寫(xiě)操作；
    (5)列地址通過(guò)地址總線傳輸?shù)降刂芬_；
    (6)CAS(列地址使能信號(hào))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(gè)單Bank的讀操作，在讀取數(shù)據(jù)的過(guò)程中行列地址的尋址過(guò)程是通過(guò)兩個(gè)時(shí)鐘周期實(shí)現(xiàn)的，在第一個(gè)時(shí)鐘周期使能行地址，下一個(gè)時(shí)鐘周期使能列地址，這就實(shí)現(xiàn)了地址線的復(fù)用。
    SDRAM寫(xiě)入的過(guò)程和讀取過(guò)程是基本一樣的，只需要將wE信號(hào)激活。
2．2 硬件設(shè)計(jì)
    對(duì)于SDRAM的硬件設(shè)計(jì)需要確定3個(gè)方面的內(nèi)容：通過(guò)處理器的特性選擇SDRAM的型號(hào)；確定SDRAM地址線、數(shù)據(jù)線的連接方式；確定SDRAM控制信號(hào)線的連接方式。
2．2．1 SDRAM的選擇
    該平臺(tái)處理器選擇Intel公司XSCALE架構(gòu)的PXA255，它針對(duì)于SDRAM有4根專用的動(dòng)態(tài)片選信號(hào)，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(jì)過(guò)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(chǔ)空間。其中，SDRAM選擇型號(hào)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(jì)時(shí)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(duì)于地址線的連接，首先需要參考SDRAM的數(shù)據(jù)手冊(cè)，確定SDRAM行列地址線的個(gè)數(shù)。其次根據(jù)處理器數(shù)據(jù)手冊(cè)確定具體地址線的連接方式。
    在三星K4S561632E的數(shù)據(jù)手冊(cè)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(hào)線的連接方式
     對(duì)于SDRAM需要確定的控制線包括時(shí)鐘信號(hào)線、區(qū)域片選信號(hào)線及Bank片選信號(hào)線。對(duì)于這三類信號(hào)線PXA255處理器是這樣給出的，即：
    (1)每?jī)山M內(nèi)存區(qū)域使用同一組時(shí)鐘信號(hào)線，即每128 MB的內(nèi)存空間使用同一根時(shí)鐘信號(hào)線，故在設(shè)計(jì)中使用了2組時(shí)鐘信號(hào)線。
    (2)共有4根區(qū)域片選信號(hào)，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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)SDRAM內(nèi)部Bank的選擇。
2．3 硬件的移植
    針對(duì)于PXA27x系列的高端處理器，Intel并沒(méi)有對(duì)SDRAM部分做本質(zhì)上的改動(dòng)，仍然是4根動(dòng)態(tài)片選信號(hào)，故硬件方面的設(shè)計(jì)可以完全移植到PXA27x系列的處理器中。

3 軟件設(shè)計(jì)方案
    Windows CE操作系統(tǒng)下對(duì)內(nèi)存的驅(qū)動(dòng)代碼主要分為兩個(gè)部分，首先在BootLoader中對(duì)SDRAM進(jìn)行底層初始化；其次在系統(tǒng)BSP包內(nèi)需要將SDRAM所對(duì)應(yīng)的物理地址映射為Windows CE下能夠識(shí)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(yùn)行的起始點(diǎn)，它包含著系統(tǒng)運(yùn)行的第一行代碼。BootLoader本身也是一個(gè)功能完整的微型操作系統(tǒng)，在內(nèi)部需要實(shí)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(dòng)程序的配置。其中內(nèi)存管理即是完成SDRAM初始化的工作，包括設(shè)置SDRAM工作頻率、設(shè)置片選信號(hào)寄存器、設(shè)置刷新間隔和SDRAM潛伏期、以及配置系統(tǒng)內(nèi)核的拷貝地址?？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(kāi)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(jì)算在手冊(cè)中是這樣給出的：

   
    目前公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)是，存儲(chǔ)體中電容的數(shù)據(jù)有效保存期上限是64 ms，也就是說(shuō)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)，所以每行的的刷新時(shí)間為64 ms／213=64 ms／8 192=7．812 5／μs，則7．812 5μs×100 MHz／32=0x18，這樣就得到了系統(tǒng)的DRI值。

   
    (4) 潛伏期的設(shè)置。潛伏期是指SDRAM在讀寫(xiě)過(guò)程中所存在的延遲，潛伏期的時(shí)間長(zhǎng)度是由以下幾個(gè)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(chǔ)單元，剩下的事情就是數(shù)據(jù)通過(guò)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(guò)一定的時(shí)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(shí)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(guò)一段時(shí)間才能允許發(fā)送行有效命令打開(kāi)新的工作行，這個(gè)間隔被稱為預(yù)充電有效周期(Precharge command Period)。tRCD：在發(fā)送列讀寫(xiě)命令時(shí)必須要與行有效命令有一個(gè)間隔，這個(gè)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(kāi)啟和行單元刷新在內(nèi)的整個(gè)過(guò)程所需要的時(shí)間。
    所有參數(shù)可以從SDRAM數(shù)據(jù)手冊(cè)得到，計(jì)算出理論潛伏期時(shí)長(zhǎng)為200／μs。

    
    (5)其他設(shè)置

   
    設(shè)置操作系統(tǒng)的入口點(diǎn)，這里用到的虛擬地址需要與系統(tǒng)中建立的映射表相對(duì)應(yīng)。
3．2 BSP內(nèi)代碼的實(shí)現(xiàn)
    Windows cE系統(tǒng)啟動(dòng)中，對(duì)SDRAM的操作分為兩個(gè)部分：首先對(duì)SDRAM的物理空間進(jìn)行分配；其次將SDRAM所對(duì)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(kāi)辟一段空間用來(lái)存放啟動(dòng)代碼BootLoader，它被存放在sDRAM的第一個(gè)區(qū)域空間內(nèi)。當(dāng)發(fā)生外部復(fù)位中斷時(shí)系統(tǒng)會(huì)從這里重新開(kāi)始運(yùn)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(gè)區(qū)域，以便使BootLoader能夠順利加載操作系統(tǒng)內(nèi)核。分配地址空間根據(jù)所建立系統(tǒng)內(nèi)核來(lái)確定。剩余的內(nèi)存空間用來(lái)存放系統(tǒng)下的應(yīng)用程序。
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(lái)并作為首地址，不僅方便內(nèi)存管理，而且當(dāng)應(yīng)用程序申請(qǐng)大塊內(nèi)存時(shí)，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(dāng)有IRQ中斷發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)PC指針會(huì)重新指向這個(gè)地址。需要注意的是這里分配的虛擬地址要與啟動(dòng)代碼中BootLoader中所使用的虛擬地址對(duì)應(yīng)起來(lái)。
   
3．2．3 軟件的移植
    針對(duì)于PXA27x系列的高端處理器，微軟在Plat-Build 5.0中給出了相對(duì)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(duì)于擴(kuò)展SDRAM的思想并沒(méi)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(yǔ)
    介紹了在嵌入式Windows CE系統(tǒng)平臺(tái)上，使用大容量SDRAM作為動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備的方案。詳細(xì)介紹了sDRAM硬件連接方案以及軟件接口的實(shí)現(xiàn)。該方案已經(jīng)在工程設(shè)計(jì)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。