摘 要：本文闡述了無SDRAM控制器環(huán)境中使用單片機K60的GPIO口驅動SDRAM的硬件組成和軟件設計，并測試了該系統(tǒng)的主要性能，給出了該系統(tǒng)的應用舉例，具有低功耗、功能齊全、人機界面友好等優(yōu)點。

關鍵詞：SDRAM；單片機；MK60DN512ZVLQ10；存儲管理；控制程序

中圖文分類號：TP368

隨著集成電路技術與工藝的發(fā)展進步，單片機應用領域也逐漸擴廣，進入到社會生產(chǎn)生活的方方面面。在某些成本敏感的應用場合迫切需要具有速度高、容量大的深度嵌入式系統(tǒng)，技術的進步，使得以低廉的價格獲得高性能，低功耗單片機成為可能。借助極高的接口速度，我們就可以使用普通GPIO口在沒有SDRAM控制器的廉價單片機上實現(xiàn)軟件驅動SDRAM。

1 硬件介紹

1.1 單片機

Kinetis系列是飛思卡爾（Freescale）公司于2010年下半年推出的業(yè)內首款基于ARM Cortex.M4內核的微控制器，K60系列是Kinetis系列的第一階段產(chǎn)品之一[1]。K60具有豐富的外設接口：（1）高速16位模數(shù)轉換器；（2）12位數(shù)模轉換器，帶有片上模擬電壓參考；（3）多個高速比較器和可編程增益放大器；（4）低功耗觸摸感應功能，通過觸摸能將器件從低功耗狀態(tài)喚醒；（5）多個串行接口，包括UART；（6）強大靈活的定時器；（7）片外系統(tǒng)擴展和數(shù)據(jù)存儲選項。

1.2 SDRAM

本文選用Hynix的H57V2562GTR-60C 256Mb SDRAM，其為4M x 4Bank x16bit組織結構。操作SDRAM的主要命令[2]有：

MRS （Mode Register Set，模式寄存器設置），

NOP （No Operation，空操作），BA（Bank Active，存儲器激活），RD（Read，讀，可設置是否自動預充電），WR（Write，寫，可設置是否自動預充電），PB（Precharge Bank，預充電存儲器，可設置全部/選定Bank），BS（Burst stop，停止突發(fā)傳輸），DQM（DQM，數(shù)據(jù)掩碼），AR（Auto Refresh，自動刷新），BRSW（Burst-Read Single-Write，突發(fā)讀單一寫），SR（Self Refresh，自刷新，進入/退出），PPD（Precharge Power Down，掉電預充電，可設置進入/退出），CSS（Clock Suspend，時鐘掛起可設置進入/退出）。

1.3 顯示器LCD及攝像頭Ov7725

本文選用2.4英寸240*320像素LCD作為顯示器，攝像頭采用Ov7725。

2 硬件連接

2.1 MCU與SDRAM接口

SDRAM需要一組16位寬的接口進行數(shù)據(jù)傳輸，13位寬的接口進行地址設定，兩根Bank選擇線，CS，CLK，CKE，WE，CAS，RAS，LDQM，UDQM各一根。K60的C口和E口均為完整16位口，可以用作地址線和數(shù)據(jù)線接口，剩余控制線使用單片機未用接口即可。

2.2 MCU與LCD接口

該LCD控制器一共需要13根控制線，其數(shù)據(jù)線需要一個完整的8位口，接在K60的口8至15位，剩余控制線使用單片機未用接口即可。

2.3 MCU與Ov7725接口

Ov7725[3]是一片CMOS的集成圖像傳感器，一共需要13根控制線，其數(shù)據(jù)線需要一個完整的8位口，接在K60的B口0至7位，剩余控制線使用單片機未用接口即可。

3 軟件設計

3.1 SDRAM底層驅動構件

本層構件的功能是以軟件方式實現(xiàn)基本的內存命令，為上層軟件提供服務。主要函數(shù)原型和說明如下所述：

GPIO_Initial（）初始化驅動SDRAM的GPIO口；MRS（u16 mode）設置模式寄存器，參數(shù)mode為模式寄存器控制字；BA（u8 bank，u16 addr）激活BANK，發(fā)送行地址，參數(shù)bakn為BANK編號，address為行地址；RD（u8 bank，u16 addr，u8 AutoPreCharge）讀取指定地址處數(shù)據(jù)，參數(shù)bank為BANK編號，addr為列地址，AutoPreCharge表示是否自動預充電；WR（u8 bank，u16 addr，u8 AutoPreCharge）在指定地址處寫入，參數(shù)bank為BANK編號，addr為列地址，AutoPreCharge表示是否自動預充電；PBAll（）給所有BANK預充電；PBOne（u8 bank）給選定BANK預充電，參數(shù)bank為BANK編號

AR（）自動刷新；SREntry（）自刷新進入；SRExit（）自刷新退出；NOP（）空操作；CLK_Count（u16 total），參數(shù)total是向SDRAM傳送的有效時鐘數(shù)；Initial（）SDRAM初始化函數(shù)；NOP_Read（）空操作讀；NOP_Write（）空操作寫；NOP_Burst（）空操作突發(fā)讀寫。

其中，NOP_Write函數(shù)在給SDRAM產(chǎn)生有效時鐘信號的同時自動將緩沖區(qū)第一個字放到數(shù)據(jù)線上；NOP_Read函數(shù)在給SDRAM產(chǎn)生有效時鐘信號的同時自動將地址線上的一個字取回放到緩沖區(qū)。NOP_Burst函數(shù)根據(jù)突發(fā)讀寫標識（Burst Flag），為1時，從緩沖區(qū)第二個字開始依次將余下的字放到地址線上，為0時，從地址線上取回指定字數(shù)存放到緩沖區(qū)從第二個字開始處，并給SDRAM產(chǎn)生有效時鐘信號。其執(zhí)行方式如圖1所示。

3.2 SDRAM中間級基本讀寫功能構件設計

本層構件的功能是實現(xiàn)SDRAM單個字（WORD）讀寫，以及突發(fā)讀寫功能，能夠將SDRAM的物理地址轉換為線性邏輯地址，并完成定時自動刷新。為實現(xiàn)以上功能，定義一些全局變量，下面將說明。Buffer類型為unsigned short int*，長度16字節(jié)，在內存讀寫時作為數(shù)據(jù)交換區(qū)域。BurstFlag類型為Unsigned char，長度1字節(jié)，其值0為突發(fā)讀，1為突發(fā)寫。BurstLength類型為Unsigned char，長度1字節(jié)，指明突發(fā)長度。

首先為保持SDRAM內數(shù)據(jù)不丟失，必須在64ms以內進行一次刷新操作。在K60的中斷定時器（PIT）中開啟一個周期中斷通道，設置其周期小于64ms即可，在其終端服務函數(shù)中調用自動刷新函數(shù)AR，然后再調用CLK_Count以產(chǎn)生數(shù)個自動刷新節(jié)拍，這樣自動刷新功能就完成了。

單個字讀、寫（函數(shù)名定義為Read_Word和Write_Word）實現(xiàn)過程類似。由于系統(tǒng)中存在周期中斷，并且該中斷同是對SDRAM進行操作的，所以在進行讀寫之前，必須先關閉周期中斷，以保證操作進行的正確性。緊接著便可以執(zhí)行相應讀取或寫入操作。

當為讀取操作時，先調用Bank激活命令BA同時傳入相應Bank編號和行地址；然后調用CLK_Count，給SDRAM發(fā)送幾個有效時鐘，具體有效時鐘數(shù)量，視存儲器芯片和設定的RCD周期而定，完成行選通到列選通延遲；然后調用RD讀函數(shù)，并傳入相應的列地址；然后調用CLK_Count，給SDRAM發(fā)送幾個有效時鐘，具體有效時鐘數(shù)量，視存儲器芯片和CL周期而定，這段時間為讀取潛伏期；之后便可以調用NOP_Read，將數(shù)據(jù)線上的一個字取回緩沖區(qū)，開啟周期中斷后就可以返回給主函數(shù)調用者了。

當為寫入操作時，先從緩沖區(qū)取出欲寫入的一個字放到數(shù)據(jù)線上，然后調用Bank激活命令BA同時傳入相應Bank編號和行地址；然后調用CLK_Count，給SDRAM發(fā)送幾個有效時鐘，具體有效時鐘數(shù)量，視存儲器芯片和設定的RCD周期而定，完成行選通到列選通延遲；然后調用WR讀函數(shù)。需要注意的是，這里與讀取操作不同，并不存在潛伏期，也就是說此時欲寫入的數(shù)據(jù)已經(jīng)在SDRAM里等待被寫入了，只需要短暫的寫回延時即可。為與讀操作函數(shù)對稱，使程序結構易于被程序員讀懂，本文仍以NOP_Write函數(shù)形式實現(xiàn)寫回延時。至此寫入操作便完成，將周期中斷打開即可。圖2是單個字讀寫函數(shù)的流程圖，右為寫，左為讀。

對于突發(fā)讀和突發(fā)寫，只要在進行讀寫前設置突發(fā)讀寫標識BurstFlag為突發(fā)讀（值為0）、突發(fā)寫（值為1），將單個字讀寫函數(shù)中相應的NOP_Read、NOP_Write更改為NOP_Burst，并計算好NOP_Burst的數(shù)量即可。

3.3 SDRAM內存管理模型設計

本文使用鏈表式的內存管理算法[4]來管理系統(tǒng)上掛載的容量為32M字節(jié)SDRAM存儲器。該SDRAM的組織結構為4Bank×213行×29列×16位，因此本文將動態(tài)內存塊大小設置為1K字節(jié)，剛好是一行中所有存儲體的總容量。這樣就32M字節(jié)存儲器將被劃分為131072個存儲塊。顯然即便是每個存儲塊只用一個字節(jié)記錄相關信息，對于單片機來說開銷也是巨大的，K60DN512單片機配備了128KB的SRAM，盡管在深度嵌入領域這個容量已經(jīng)相當大，也是不夠用的。因此需要設計一種算法用來動態(tài)創(chuàng)建和刪除鏈表中的節(jié)點，控制鏈表中節(jié)點的數(shù)量，來完成SDRAM存儲管理。

每一個內存（指系統(tǒng)掛載的SDRAM存儲器，下同）塊對應一個節(jié)點，該節(jié)點的結構定義如下：

typedef struct BlockNode

{ unsigned long int BlockAddr； unsigned char State；

struct BlockNode *left；

struct BlockNode *right；

} BNode， *pBNode；

BlockAddr存儲該內存塊的首地址，State標記該內存塊是否被分配，值為0未被分配，其他值已被分配，left存儲左邊一個節(jié)點指針，right存儲右邊一個節(jié)點指針。

該結構體占據(jù)13個字節(jié)存儲量，若在單片機上用13KB存儲器來存儲該鏈表則可以方便管理1MB的SDRAM存儲器，還是非常劃算的。

本文采用就大法分[5]配動態(tài)分配內存塊。其算法流程圖3所示。

回收內存的算法相對簡單，只需要根據(jù)需要回收的內存塊首址刪除掉相應節(jié)點即可。

3.4 系統(tǒng)整體設計

在完成了所有基本構件的設計以后，便可以進行系統(tǒng)整體設計了。這只需要調用基本構件初始化函數(shù)，按照一定時序建立服務函數(shù)即可，系統(tǒng)啟動流程如圖4所示。

4 系統(tǒng)性能測試

本文以多種方式測試了該系統(tǒng)對SDRAM讀寫數(shù)據(jù)的能力，測試結果如表1所示。

由實際測試數(shù)據(jù)可知，突發(fā)傳輸可得大大提高SDRAM的讀寫速度。

5 應用舉例

在深度嵌入的單片機上實現(xiàn)高速圖像采集、存儲、處理、顯示是比較困難的，其原因在于MCU運算速度有限，存儲容量有限。該系統(tǒng)采用的K60單片機已經(jīng)具有DSP處理器，可以實現(xiàn)對大量數(shù)據(jù)的高速處理。

在場終端到來時設置行計數(shù)為0并打開場中斷，在行中斷到來時開啟DMA，跟隨PCLK時鐘采集640字節(jié)數(shù)據(jù)，DMA操作結束后對行計數(shù)執(zhí)行加1操作，判斷行計數(shù)有沒有達到240，如果達到240，關閉行中斷并設置行計數(shù)為0，否則跳過此步驟繼續(xù)執(zhí)行將640字節(jié)數(shù)據(jù)存入SDRAM。在主函數(shù)中讀取SDRAM中存儲的數(shù)據(jù)發(fā)送到LCD上顯示便實現(xiàn)了動態(tài)顯示。主函數(shù)中也可以對SDRAM中存儲的數(shù)據(jù)進行處理變換后再重組發(fā)送到顯示器或作他用。

6 結語

在深度嵌入的現(xiàn)代生活中，單片機的速度越來越快，人們對存儲容量的需求也越來越大，相對于花費大量資金購買一塊昂貴的帶有SDRAM控制器的MCU，本文介紹的GPIO口控制和管理SDRAM具有設備簡單，技術門檻低，開發(fā)周期短的優(yōu)點。系統(tǒng)有待改進的地方在于可移植性不夠強，通用性不夠好，從編程角度看，最基本的指針訪問內存的方式必須以函數(shù)代替，這樣無法實現(xiàn)某些算法。該系統(tǒng)適合數(shù)據(jù)量大，對數(shù)據(jù)存取速度要求高，頻繁改寫數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，比如在圖像采集系、處理等系統(tǒng)。

參考文獻：

[1]王宜懷，吳瑾，蔣銀珍.嵌入式系統(tǒng)原理與實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012：22-35.

[2]金新強，白雪飛，張璠.一種DDRSDRAM控制器的設計[J].微型機與應用，2013，32（8）：23-25.

[3]任志敏.一種基于OV7725的圖像實時顯示系統(tǒng)設計[J].福建電腦.2013，29（1）：128-130.

[4]張榮華，田澤，韓煒.基于鏈表的動態(tài)存儲器管理設計與實現(xiàn)[J].計算機技術與發(fā)展.2011，21（7）：250-253.

[5]何煦嵐，何曉嵐.基于多鏈表結構的嵌入式系統(tǒng)內存管理[J].計算機應用與軟件.2008，25（4）：58-59，81.

作者簡介：周成龍（1992-），男，山東臨沭，中國礦業(yè)大學，本科，電氣工程與自動化。