工控机的存储器系统设计

论文摘要

集成电路的发展已进入系统芯片(SOC)时代,将整个嵌入式系统集成在单一芯片上已成为现实。开发自主版权的嵌入式系统SOC芯片,对于提高产品的性能和可靠性,提高国产工控系统产品的持续研发能力,具有重要意义。 本论文的研究内容是西北工业大学航空微电子中心所承担的国家“十·五”预研项目(项目编号41308010307)的一部分,完成了PC104工控系统SOC芯片“龙腾S1”中存储子系统的分析、设计和验证。“龙腾S1”已经采用0.18μm工艺完成后端设计,设计频率66MHz,最高运行频率80MHz,芯片面积<25mm2,平均功耗为1.7W(66MHz),预计将在2005年2月进行ASIC流片。 本论文的主要研究工作包括: 1、对“龙腾S1”的存储子系统进行了系统的分析,确定了存储子系统的结构。 2、“龙腾S1”的存储子系统设计与实现。包括SDRAM控制器,时序优化的快速DMA控制器和82C54定时/计数器的设计与实现。 3、分别在模块级,子系统级和系统级三个层次上对“龙腾S1”的存储子系统的三个子模块SDRAM控制器,DMA控制器和82C54定时/计数器进行了仿真验证,完成了SDRAM控制器的单板级FPGA验证。 4、设计了8M“龙腾S1”和66MSDRAM之间的转换接口,用于实现“龙腾S1”的FPGA验证系统。基于该平台实现的“龙腾S1”系统,可以运行DOS操作系统及DOS下的应用程序。 5、为了在将来实现片内的硬件电子盘接口,进一步增强龙腾S系列的功能,如数据加密,数据的检错与纠错等。本文还对电子盘的工作原理,驱动程序,负载平衡策略和数据清理策略做了探索性研究。 本课题紧密结合国防“十·五”预研课题,研究成果为高性能系统级工控平台的设计提供了方法和思路。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及来源
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文研究工作
• 1.4 论文的安排
• 第二章 “龙腾S1”存储子系统分析
• 2.1 系统简介
• 2.2 “龙腾S1”的存储子系统
• 2.2.1 SDRAM和 SDRAM控制器
• 2.2.2 DMA子系统
• 2.2.3 刷新定时器82C54
• 2.2.4 电子盘
• 第三章 “龙腾 S1”存储子系统设计与实现
• 3.1 SDRAM芯片的分析
• 3.1.1 SDRAM的初始化
• 3.1.2 SDRAM的工作参数和要求
• 3.1.3 SDRAM的命令
• 3.2 “龙腾S1”SDRAM控制器的设计
• 3.2.1 “龙腾 S1”SDRAM控制器的工作参数设计
• 3.2.2 控制通路设计
• 3.2.2.1 SDRAM的初始化设计
• 3.2.2.2 SDRAM的刷新设计
• 3.2.2.3 SDRAM的读操作设计
• 3.2.2.4 SDRAM的写操作设计
• 3.2.2.5 控制命令的发送逻辑
• 3.2.3 数据通路设计
• 3.3 针对 SDRAM控制器的 DMA控制器优化设计
• 3.3.1 DMA控制器简介
• 3.3.2 “龙腾S1”DMA控制器的时序优化
• 3.3.3 “龙腾S1”DMA控制器的外部结构的优化
• 3.3.4 优化的 DMA数据传送周期时序
• 3.3.5 改进前后的 DMA控制器性能比较与分析
• 3.3.5.1 改进前后I/O设备和存储器数据传输的比较
• 3.3.5.2 改进前后存储器到存储器数据传输率的比较
• 3.4 刷新定时器82C54的设计
• 3.4.1 定时器82C54设计
• 3.4.2 82C54的计数单元
• 3.4.3 SDRAM的刷新定时
• 第四章 系统的仿真、综合与验证
• 4.1 存储子系统的仿真
• 4.1.1 存储子系统的模块级仿真
• 4.1.2 存储子系统的系统级仿真
• 4.1.2.1 SDRAM控制器的系统级仿真
• 4.1.2.2 DMA控制器的系统级仿真
• 4.1.2.3 定时/计数的系统级仿真
• 4.1.3 存储子系统的后仿真
• 4.1.4 仿真小结
• 4.2 SDRAM控制器 FPGA转换接口的设计
• 4.2.1 读命令的转换
• 4.2.2 写命令的转换
• 4.2.3 碎发终止命令的转换
• 4.2.4 刷新命令的转换
• 4.3 存储子系统的 FPGA验证
• 4.3.1 SDRAM控制器的单板 FPGA测试
• 4.3.1 存储子系统的系统级 FPGA测试
• 4.4 “龙腾S1”的综合
• 4.4.1 综合的过程及结果
• 4.4.2 “龙腾S1”的整体版图
• 第五章 电子盘的研究与分析
• 5.1 电子盘驱动程序分析与设计
• 5.1.1 电子盘工作原理
• 5.1.1.1 系统接口
• 5.1.1.2 电子盘的控制单元
• 5.1.2 电子盘驱动程序设计
• 5.1.2.1 电子盘的启动和初始化
• 5.1.2.2 对INT 13H和INT 12H的扩展
• 5.1.2.3 电子盘存储管理程序
• 5.1.2.4 电子盘底层驱动
• 5.2 电子盘的负载平衡策略
• 5.2.1 电子盘的物理特性
• 5.2.2 电子盘的动态负载平衡
• 5.2.2.1 FLASH电子盘的数据存储结构
• 5.2.2.2 负载平衡的写策略
• 5.2.3 电子盘的静态负载平衡
• 5.3 电子盘的数据清理策略
• 5.3.1 几种数据清理策略的比较
• 5.3.2 基于数据清理代价的数据清理策略
• 5.3.3 用归纳数据的方法来提高数据清理性能
• 第六章 结束语
• 硕士期间发表的论文和参加的工作
• 致谢
• 参考文献