PDMA在测试SDRAM控制器中的应用

我们设计了一个PDMA（Programmable Direct Mem o ry 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 PDMA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。图2是 PDMA寄存器组的内部结构。


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。各寄存器的功能描述如表1所示。


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。各模块的功能由表2描述。


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，如图4所示。


3 测试系统的结构和工作原理

在本设计中，PDMA用于仿真多个IP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PDMA之间以内部IO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）PCI接口模块写PDMA的控制寄存器，启动对SDRAM的读写；
（3）PCI接口模块读PDMA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 RTL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 Mem o ry Base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PCI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PDMA通道的配置参数；
（5）写入相应的命令，启动PDMA访问内新路子SDRAM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。

图5是由PCI发起的一次写IO寄存器访问的仿真波形，PDMA的配置数据就是通过若干这样的操作完成的。


相对而言，我们更关注PDMA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。综合的结果如表3所示。测试平台是一台PC机，带有PCI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SDRAM控制器；
（3）置PDMA寄存器；
（4）启动PDMA访问；
（5）读回PDMA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。表4是一个测试向量的内容和结果，像这样的测试要进行多次以提高故障覆盖率并统瞥鯥P的性能。


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。