我們設計了一個PDMA（Programmable Direct Mem o ry Access）用于測試SDRAM控制器的性能。在SoC中，SDRAM控制器往往跟多個IP模塊（圖形處理單元，音頻處理單元等）交換數據，采用多個PDMA通道同時訪問Memory可以真實模擬SDRAM控制器在SoC環境中被多個IP隨機訪問的情形。

2 PDMA的結構及工作原理

PDMA是可編程直接存儲器存取的簡稱。圖1 虛中框內是PDMA的內部模塊結構，它主要由寄存器組和控制器兩大部分構成，寄存器組用于保存配置參數和PDMA對SDRMA控制器訪問后的狀態信息及接收、啟動、停止等控制信息。圖2是 PDMA寄存器組的內部結構。


寄存器組模塊里包含了一個同步模塊、控制寄存器、狀態寄存器和各通道的寄存器組。每一個子通道的寄存器組又包含訪問基址寄存器、訪問模式寄存器、周期計數器等三個寄存器。各寄存器的功能描述如表1所示。


PDMA的控制器主要由：產生寫數據的狀態機、地址譯碼模塊、FIFO以及讀數據校驗模塊四部分構成。各模塊的功能由表2描述。


PDMA控制器的結構如圖3所示，其核心邏輯是一個狀態機，我們采用一個兩層嵌套的狀態機來實現控制功能，如圖4所示。

3 測試系統的結構和工作原理

在本設計中，PDMA用于仿真多個IP核對SDRAM控制器進行讀寫訪問以驗證SDRAM控制器的設計是否高效合理，性能是否穩定等指標。
PDMA整個測試系統由PCI接口模塊、PDMA 以及SDRAM控制器三大部分構成（見圖1）。PCI接口模塊與PDMA之間以內部IO總線相連接。 PDMA與SDRAM控制器之間以內部Memory總線連接。PCI接口模塊連接外部PCI總線與內部的 PDMA，轉換由外部發起的PCI IO訪問對PDMA進行參數配置以及對命令、狀態等寄存器進行讀寫。PDMA在得到了配置參數及啟動訪問的命令信息后啟動對SDRAM控制器的訪問(寫然后讀)，并把測試的結果反映到PDMA的狀態寄存里。

測試用PDMA的具體工作過程如下：

（1）PCI接口模塊對PDMA各通道進行參數配置（如訪問長度、訪問基址、訪問方式等）；
（2）PCI接口模塊寫PDMA的控制寄存器，啟動對SDRAM的讀寫；
（3）PCI接口模塊讀PDMA的狀態寄存器，探測訪問是否完成，如完成，則讀取完成后的狀態信息（如錯誤位，發生錯誤的地址）。

 

4 RTL仿真

完成RTL級的設計后，我們利用Cadence公司的仿真工具VerilogXL對設計進行了功能仿真。仿真的環境是基于PCI的，所以其仿真順序如下：

（1）配置PCI配置空間的IO Base 及 Mem o ry Base寄存器；
（2）寫PCI配置空間54H，58H等寄存器，配置SDRAM 控制器及SDRAM芯片的參數；
（3）寫PCI配置空間的命令寄存器（offset==04h），使能該設備；
（4）訪問PCI IO空間中的PDMA配置寄存器，設定各個PDMA通道的配置參數；
（5）寫入相應的命令，啟動PDMA訪問內新路子SDRAM控制器；
（6）檢測PDMA的狀態寄存器，根據設定的條件（正常結束或者發生錯誤）退出仿真程序；
（7）打開波形文件，檢查是否有錯誤發生。

圖5是由PCI發起的一次寫IO寄存器訪問的仿真波形，PDMA的配置數據就是通過若干這樣的操作完成的。


相對而言，我們更關注PDMA是如何訪問Memory的。圖6是由一個PDMA發起的寫讀模式下的訪問時序。GROUP1的信號是由PDMA發起的內部Memory總線信號組，而GROUP2的信號是 Memory控制器和內存芯片間的符合jedec標準的總線協議。從圖中我們可以清楚地看到總線協議的轉換過程，及時發現是否有違反協議的情況發生。


5 上板測試的方法和過程

在完成功能仿真后，使用Synopsys綜合工具 FPGA compiler對設計進行綜合，并選用XILINX公司的VERTEX1600E系列為目標器件，生成相應的網表文件，下載到FPGA上進行測試。綜合的結果如表3所示。測試平臺是一臺PC機，帶有PCI標準接口的測試卡和PCI讀寫軟件。上板測試過程如下：


（1）下載bit文件到FPGA中；
（2）配置SDRAM控制器；
（3）置PDMA寄存器；
（4）啟動PDMA訪問；
（5）讀回PDMA的狀態位。

測試時需要輸入相應的測試向量，一個好的軟件界面可以大大減輕硬件工程師編寫、輸入測試向量的工作量。表4是一個測試向量的內容和結果，像這樣的測試要進行多次以提高故障覆蓋率并統瞥鯥P的性能。


6 實驗結論

經過不斷調試和改進，PDMA能夠按照功能寄存器的配置準確發起Memory訪問，并能夠及時報告SDRAM控制器的操作錯誤。該測試平臺不僅適用于驗證SDRAM控制器的設計，而且在經過很小的改動后可以配置成支持對性能更好的DDR存儲控制器的測試驗證。靈活的配置方式使之成為一個通用的測試平臺，對不同的Memory控制器的測試只需用軟件對相應的配置寄存器進行配置即可，硬件基本不用進行改動，大大節約了設計時間，提高了設計的成功率和效益。