「每周FPGA案例」 SDRAM读写控制器（二）

1.5.2SDRAM工作流程SDRAM初始化在SDRAM内部有一个逻辑控制单元，并且有一个模式寄存器为其提供控制参数。每次开机时SDRAM都要先对这个控制逻辑核心进行初始化。SDRAM必须以预定义的方式启动和初始化。在电源同时作用于Vdd和Vddq后开始初始化SDRAM，此时的时钟稳定并且将数据掩码和时钟使能信号拉高。在向SDRAM发送命令之前需要有100us的延时，此时SDRAM不执行任何操作。在100us延时满足后，需要对Bank进行预充电，在此期间所有的Bank处于空闲状态。预充电之后会有至少两个自刷新操作，完成自刷新便可以对SDRAM进行模式寄存器配置。下面是初始化的时序图

从上图中可以看出，上电后等待时间为T=100us，预充电操作需要的时间为TRP，一次自刷新需要的时间是TRC，加载模式寄存器需要的时间为TMRD。在初始化中的预充电期间，地址线A10定义自动预充电，以确定是否所有Bank都被预充电，也可以通过Bank地址选择信号BA0和BA1来决定进行预充电的Bank地址。在加载模式寄存器期间，地址线A0到A11一起组成命令码。

SDRAM行激活初始化完成之后，在向SDRAM发送读或者写命令之前必须打开该Bank中的一行，通过ACTIVE命令来确定要激活的Bank和行。要想对一个Bank中的阵列进行寻址，首先要确定行（Row），然后确定列。片选信号与Bank选择信号与行有效同时进行，下面是激活的时序图

从上图中可以看出，在片选信号、Bank地址选定的同时，行地址选通信号RAS也处于有效状态，此时An地址线发送具体的行地址。行地址位宽为12，共可以指示2^12=4096个具体的行地址。当行地址被激活后，相应的Bank也被激活，因此行激活又叫L-Bank激活。

列选择行地址确定后，就要对列地址进行寻址，地址线仍使用A0~A11，即行地址与列地址共用地址线。当列地址选通后，就需要对SDRAM进行读写，而给SDRAM读命令还是写命令由WE信号决定。当WE信号拉低时，SDRAM接收到的是写命令；当WE拉高，SDRAM接收读命令。列寻址信号与读写命令是同时发出的。虽然地址线与行寻址共用，但列地址选通脉冲CAS则可以区分开行与列寻址的不同，配合A0~A9、A11来确定具体的地址。

在发送列读写命令时必须要与有效命令有一个时间间隔，这个时间间隔被定义为TRCD。

读操作读命令从输入信号BA0、BA1中选取要进行读数据操作的BANK，并在已激活的行中进行突发读写操作。输入的A0~A7用来进行列寻址。在选定列地址后，就已经确定了具体的存储单元，剩下的事情就是数据通过dq输出到内存总线上了。但是再CAS发出之后，仍要经过一定的时间才能有数据输出，从CAS与读取命令发出到第一个数据输出的这段时间，被定义为CALLatency（CAS潜伏期）。由于此现象只在读的时候出现，所以又称作读潜伏期

由于存储体中晶体管存在反应时间，从而造成数据不可能与CAS 在同一上升沿触发，因此要延后至少一个时钟周期。考虑到芯片体积较小的因素，存储单元中的电容容量很小，所以信号要经过放大来保证其有效的识别性，这个放大/驱动工作由 S-AMP 负责，一个存储体对应一个 S-AMP 通道。但它要有一个准备时间才能保证信号的发送强度（事前还要进行电压比较以进行逻辑电平的判断），因此从数据 I/O 总线上有数据输出之前的一个时钟上升沿开始，数据即已传向 S-AMP，也就是说此时数据已经被触发，经过一定的驱动时间最终传向数据 I/O 总线进行输出，这段时间我们称之为 tAC（Access-Time-from-CLK，时钟触发后的访问时间），单位是 ns。在突发读操作完成后，如果选择了自动预充电模式，那么该行就会直接进入充电。如果没有选择此模式，那么该行将保持打开状态，供后续访问。自动预充电模式的选择与 A10的值有关，A10 为高时为自动预充电命令模式。

写操作数据写入的操作也是在 tRCD 之后进行，但此时没有 CL（CL 只出现在读取操作中），行寻址与列寻址的时序一样致，只是在列寻址时，WE#为有效状态。由于数据信号由控制端发出，输入时芯片无需做任何调校，只需直接传到数据输入寄存器中，然后再由写入驱动器进行对存储电容的充电操作，因此数据可以与 CAS 同时发送，也就是说写入延迟为 0。不过，数据并不是即时地写入存储电容，因为选通三极管（就如读取时一样）与电容的充电必须要有一段时间，所以数据的真正写入需要一定的周期。

突发读写突发（Burst）是指在同一行中相邻的存储单元连续进行数据传输的方式，连续传输所涉及到存储单元（列）的数量就是突发长度（Burst Lengths，简称 BL）。前文讲到的读/写操作，都是一次对一个存储单元进行寻址，如果想要连续的向 SDRAM 中读数据或者写数据，就需要对当前存储单元的下一个单元进行寻址，也即是需要不停给 SDRAM 列激活信号以及读/写命令（行地址不变，所以不用再对行寻址）。虽然由于读/写延迟相同可以让数据的传输在 I/O 端是连续的，但它占用了大量的内存控制资源，在数据进行连续传输时无法输入新的命令，效率很低。为此，人们开发了突发传输技术，只要指定起始列地址与突发长度，SDRAM 就会不再需要控制器连续地提供列地址，依次地自动对后面相应数量的存储单元进行读/写操作。这样，在突发模式读写中，除了第一个数据的传输需要若干个周期（主要是之前的延迟，一般的是tRCD+CL），其后每个数据只需一个周期的即可获得。至于突发长度 BL 的数值，也是不能随便设或在数据进行传输前临时决定，而是在上文讲到的 SDRAM 初始化过程中模式寄存器配置阶段就要对突发长度进行设置。目前可用的选项是 1、2、4、8、全页（FullPage），常见的突发长度设定是 BL=4、BL=8 或者全页突发模式。

1.5.3设计思路经过上面对SDRAM工作流程的介绍，可以采用状态机作为本工程的一个架构，根据指令的不同，划分为8个状态，分别为空操作（NOP）、预充电（PER）、自刷新（REF）、加载模式寄存器（MOD）、空闲（IDL）、激活（ACT）、读数据（RED）和写数据（WIR）。由于每个操作需要的时间都不同，因此需要一个计数器来对每个操作需要的时间进行计数。

该计数器加一条件为state_c!=IDL，表示只要不是处于空闲状态，就进行计数；结束条件为数x个，x根据目前所处的状态的不同而不同，具体数据可以看下面的表格。 当前状态 计数器数多少个空操作（NOP）20000预充电（PER）2自刷新（REF）7加载模式寄存器（MOD）2激活（ACT）2读/写数据（RED/WIR）512由于再初始化阶段，自刷新需要连续进行两次，因此需要将初始化阶段区分出来，设计一个初始化指示信号init_flag：该信号初始状态为高电平，表示上电之后SDRAM处于初始化阶段；当初始化完成之后变为低电平，因此从高变低的条件为mod2idl_start。自刷新计数器cnt1：该计数器表示初始化阶段进行自刷新的次数。加一条件为(init_flag && state_c==REF && end__cnt)，表示在初始化阶段，如果当前状态为自刷新，则时钟计数器数完一次就加一；结束条件为数两个，初始化阶段共进行两次自刷新，因此只需要数两个即可。在初始化完成之后，需要进行自刷新、读数据和写数据等操作，由于自刷新是必须进行的，因此自刷新请求的优先级是最高的，那么读请求和写请求的优先级怎么确定呢？假设设置读请求的优先级高于写请求，读请求和写请求一起来的时候，总是先执行读请求，如果读请求一直有效的话，便不会执行写操作。反之设置写请求的优先级高于读请求，也会出现这样的问题，这当然是不可以的。因此我们设置为如果两个请求不是同时有效，则哪一个有效便执行哪一个。如果同时来的时候，第一次同时来，先执行写操作，第二次同时有效的时候在执行写操作，如此交替进行即可。通过两个信号进行控制：读操作指示信号flag_rd：初始状态为低电平，表示上一次执行的写操作；从低变高的条件为state_c==RED，表示如果执行的是读操作，则置为高电平；当执行的是写操作的时候，该信号置为0，所以变0的条件是state_c==WIR。读写同步指示信号flag_syn：初始状态为0，表示读写请求没有同时有效，如果当前处于激活状态，并且读写请求同时有效，则置为1，当激活状态结束，重新变为0。设计中的辅助信号已经完成的差不多了，下面开始进行状态机的架构，架构图如下图所示：

下面介绍一个各个状态之间的跳转条件。上电之后，先进入空操作状态，在空操作状态下：1、 延时100us之后，进入到预充电状态。当处于预充电状态的时候：1、 如果处于初始化阶段，两个时钟周期之后，跳转到自刷新状态。2、 如果不是初始化阶段，两个时钟周期之后，跳转到空闲状态。当处于自刷新状态时：1、 如果处于初始化状态，7个时钟周期之后，跳转到自刷新状态。2、 如果处于初始化状态，并且已经进行过一次初始化，7个时钟周期之后，跳转到加载模式寄存器状态。3、 如果不是初始化阶段，7个时钟周期之后，跳转到空闲状态。当处于加载模式寄存器状态时：1、 2个时钟周期之后，进入到空闲状态。当处于空闲状态时：1、 如果收到自刷新请求，则跳转到自刷新状态。2、 如果自刷新请求无效，收到读/写请求，则跳转到激活状态。当处于处于激活状态时：1、 当读写请求不同时的时候，接收到读请求，则跳转到读状态。2、 当读写请求不同时的时候，接收到写请求，则跳转到写状态3、 当读写请求同时到达的时候，第一次来的时候，首先响应读请求，跳转到读状态4、 当读写请求同时到达，但不是第一次同时有效的时候，则根据上一次执行的操作进行判断，如果上一次执行的读操作，则这次执行写操作，跳转到写状态；如果上一次执行的写操作，则这次执行读操作，跳转到读状态。当处于写状态的时候：1、 写数据完成，就进入到预充电状态。当处于读状态的时候：1、 读数据完成，就进入到预充电状态。指令集信号conmand：该信号共4bit，从最高位到最低位分别表示cs、ras、cas、we。在空操作阶段，指令为4’b0111；在预充电阶段，指令为4’b0010；在自刷新阶段，指令为4’b0001；在加载模式寄存器阶段，指令为4’b0000；在激活阶段，指令为4’b0011；在读数据阶段，指令为4’b0101；在写数据阶段，指令为4’b0100。这些操作对应的指令码都是从图中的表格中查找得来。

数据掩码dqm：初始状态为2’b11，表示输入得两个字节数据无效。当初始化完成之后，变为2’b00，表示输入得两个字节数据有效。时钟使能cke：复位时为0，表示输入时钟无效，复位结束之后为1，表示输入时钟有效。Bank选择信号sd_bank：初始状态为2’b00，表示选择Bank0；在激活阶段、读阶段和写阶段，该信号由输入得bank信号决定。SDRAM地址选择信号sd_addr：由于本工程采用的预充电模式为全Bnak自动预充电，该模式由地址线A10控制，因此在预充电得时候，地址指令为13’b001_0_00_000_0_000；在激活的时候提供行地址；在加载模式寄存器得时候，地址线提供运算码，这时每个地址表示得意思入下图所示，A9决定读模式，A6、A5、A4决定读数据得潜伏期，A3决定突发类型，A2、A1、A0决定突发长度。

由于MP801开发板使用得SDRAM有两种型号，一种是W9812G6KH，共4096行，自刷新周期为1562，另一种是H57V2562GTR，共8192行，自刷新周期为780。在使用得时候需要注意开发板型号，这里我们以H57V2562GTR为例。自刷新需要以下信号：时钟计数器cnt_780：该计数器主要得作用是初始化结束之后，数自刷新得周期；加一条件为init_flag==0，表示初始化结束就开始计数；结束条件为数780个，数完就清零。自刷新请求ref_req：初始状态为0，表示不需要进行自刷新，当时钟计数器cnt_780数完得时候，ref_req拉高，请求进行自刷新，如果当前处于空闲状态，则进行自刷新，如果不是，则等待。可能有人会想，如果不是空闲状态，就要等待，这样会不会对数据保存造成影响？其实不会得，存储器要求64ms全部刷新一遍，但不需要每一行刷新得间隔都一样。当时钟计数器cnt_780数完之后，产生自刷新请求，同时时钟计数器又会开始计数，所以可能自刷新得间隔不同，但每一行肯定能在64ms内刷新1次。写SDRAM数据信号dq_out：该信号直接等于写数据wdata（注意，需要用组合逻辑实现）。三态门使能信号dq_out_en：初始状态为0，表示使能无效，在写数据期间，变为高电平，表示使能有效。读SDRAM数据信号rdata：直接将sdram输出数据dq_in连接即可。读数据有效指示信号rdata_vld：由于存在读数据潜伏期，根据设置得潜伏期得长度，将rdata_vld进行相应得延时。