一种用于测试SDRAM 的可编程直接存储器存取控制

    1 引言

    现代电子信息设备往往需要保存和处理大量的数字信息，一个高性能的Memory控制器可以大大提高系统的性能。在进行SDRAM 控制器的设计时，需要考虑很多因素，设计完成以后还要进行多项测试看是否完全满足所要求的各项性能，为此我们设计了一个PDMA（Programmable DirectMemory Access）用于测试SDRAM 控制器的性能。在SoC 中，SDRAM 控制器往往跟多个IP 模块（图形处理单元，音频处理单元等）交换数据，采用多个PDMA 通道同时访问Memory 可以真实模拟SDRAM控制器在SoC环境中被多个IP随机访问的情形。

    2 P D M A 的结构及工作原理

    PDMA 是可编程直接存储器存取的简称。图1虚中框内是PDMA的内部模块结构，它主要由寄存器组和控制器两大部分构成，寄存器组用于保存配置参数和PDMA 对SDRMA 控制器访问后的状态信息及接收、启动、停止等控制信息。
    寄存器组模块里包含了一个同步模块、控制寄存器、状态寄存器和各通道的寄存器组。每一个子通道的寄存器组又包含访问基址寄存器、访问模式寄存器、周期计数器等三个寄存器。
    PDMA 的控制器主要由：产生写数据的状态机、地址译码模块、FIFO以及读数据校验模块四部分构成。
    PDMA 控制器的结构如图3 所示，其核心逻辑是一个状态机，我们采用一个两层嵌套的状态机来实现控制功能。

    3 测试系统的结构和工作原理

    在本设计中，P D M A 用于仿真多个I P 核对SDRAM 控制器进行读写访问以验证SDRAM 控制器的设计是否高效合理，性能是否稳定等指标。PDMA 整个测试系统由PCI 接口模块、PDMA以及SDRAM 控制器三大部分构成（见图1）。PCI接口模块与P D M A 之间以内部I O 总线相连接。PDMA 与SDRAM 控制器之间以内部Memory 总线连接。PCI 接口模块连接外部PCI 总线与内部的PDMA，转换由外部发起的PCI IO 访问对PDMA进行参数配置以及对命令、状态等寄存器进行读写。PDMA在得到了配置参数及启动访问的命令信息后启动对SDRAM 控制器的访问(写然后读)，并把测试的结果反映到PDMA 的状态寄存里。测试用PDMA 的具体工作过程如下：
    （1）PCI 接口模块对PDMA 各通道进行参数配置（如访问长度、访问基址、访问方式等）；
    （2 ）P C I 接口模块写P D M A 的控制寄存器，启动对S D R A M 的读写；
    （3 ）P C I 接口模块读P D M A 的状态寄存器，探测访问是否完成，如完成，则读取完成后的状态信息（如错误位，发生错误的地址）。

    4 R T L 仿真

    完成RTL级的设计后，我们利用Cadence公司的仿真工具VerilogXL对设计进行了功能仿真。仿真的环境是基于PCI 的，所以其仿真顺序如下：
    （1）配置PCI配置空间的IO Base 及 MemoryBase 寄存器；
    （2 ）写PCI 配置空间54H，58H 等寄存器，配置SDRAM 控制器及SDRAM 芯片的参数；
    （ 3 ） 写P C I 配置空间的命令寄存器（offset==04h），使能该设备；
    （4 ）访问PCI IO 空间中的PDMA 配置寄存器，设定各个P D M A 通道的配置参数；
    （5）写入相应的命令，启动PDMA 访问内新路子S D R A M 控制器；
    （6）检测PDMA 的状态寄存器，根据设定的条件（正常结束或者发生错误）退出仿真程序；
    （7）打开波形文件，检查是否有错误发生。
    相对而言，我们更关注P D M A 是如何访问Memory 的。图6 是由一个PDMA 发起的写读模式下的访问时序。GROUP1 的信号是由PDMA 发起的内部Memory 总线信号组，而GROUP2 的信号是Memory控制器和内存芯片间的符合jedec标准的总线协议。从图中我们可以清楚地看到总线协议的转换过程，及时发现是否有违反协议的情况发生。

    5 上板测试的方法和过程

    在完成功能仿真后，使用Synopsys综合工具FPGA compiler对设计进行综合，并选用XILINX公司的VERTEX1600E 系列为目标器件，生成相应的网表文件，下载到FPGA上进行测试。
    标准接口的测试卡和PCI读写软件。上板测试过程如下：
    （1 ）下载bit 文件到FPGA 中；
    （ 2 ） 配置S D R A M 控制器；
    （ 3 ） 置P D M A 寄存器；
    （ 4 ） 启动P D M A 访问；
    （ 5 ）读回P D M A 的状态位。
    测试时需要输入相应的测试向量，一个好的软件界面可以大大减轻硬件工程师编写、输入测试向量的工作量。

    6 实验结论

    经过不断调试和改进，PDMA能够按照功能寄存器的配置准确发起Memory访问，并能够及时报告SDRAM 控制器的操作错误。该测试平台不仅适用于验证SDRAM 控制器的设计，而且在经过很小的改动后可以配置成支持对性能更好的DDR存储控制器的测试验证。灵活的配置方式使之成为一个通用的测试平台，对不同的Memory控制器的测试只需用软件对相应的配置寄存器进行配置即可，硬件基本不用进行改动，大大节约了设计时间，提高了设计的成功率和效益。