FPGA学习之路---SDRAM讲解

如果对SDRAM原理以及时序不是很了解的朋友,推荐看一下如下这篇文章:

SDRAM-高手进阶,终极内存技术指南——完整进阶版

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SDRAM的工作过程:

(1)初始化:

上电后进入200us的输入稳定期,空操作(NOP)

向SDRAM发送1次(1个时钟周期)预充电(precharge)命令,然后保持N个时钟周期NOP操作(N值可查芯片具体SDRAM芯片手册,与SDRAM工作的时钟频率有关)

向SDRAM发送8次刷新(refresh)命令,具体发送过程后面会介绍

设置SDRAM工作模式寄存器

初始化完毕

(2)开始读写操作

(3)自刷新

除了上述操作外,还有一个周期性的操作就是自刷新。拿我使用的芯片来说,需要每15us进行一次自刷新操作。(15us*4096=61.44ms < 64ms,为什么这么设置,请参考终极内存技术指南)

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实现方法:

CKE

CS_n

RAS_n

CAS_n

WE_n

通过上面五线的搭配输出,可以实现SDRAM控制。

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SDRAM的命令(_n结尾的信号代表低电平有效)

SDRAM命令

CKE

CS_n

RAS_n

CAS_n

WE_n

空操作(NOP)

1

0

1

1

1

预充电(PRE)

1

0

0

1

0

刷新

1

0

0

0

1

行有效

1

0

0

1

1

开始读

1

0

1

0

1

开始写

1

0

1

0

0

模式寄存器设置

1

0

0

0

0

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下面贴几张初始化相关的图片:

 

模式寄存器设置!!!

 

我的模式寄存器设置值为: 0x023,对应到上图可以看出,我的选择为:

操作模式:突发读/突发写

潜伏期:两个时钟周期

突发传输方式:顺序

突发长度:8 (SDRAM芯片:4Block,1M*16bit,共64Mbit)故突发长度8代表每次读或写命令传输的数据量为8*位宽=8*16bit=128bit=16字节(暂不考虑数据掩码DQM)

-----------------------------------------------------仿真---------------------------------------------------------------------

波形1:PLL完成初始化

红色的波形为和命令有关的信号(5个)。我把它们放到一组为了便于观察,可以看到,在400ns处,时钟有效信号CKE变高,片选信号CS_n变低,SDRAM开始动作,参考命令表,SDRAM启动后的命令为:10111,即NOP操作,这一过程要持续近200us,称之为输入稳定期

波形2:预充电,对应命令10010以及

8次刷新操作,对应命令10001,注意每个命令之后都有执行一段时间的NOP操作,这使得SDRAM有时间执行命令。

 

波形3:模式寄存器设置,可以看到,命令10000,此时SDRAM_BA[1:0]以及地址线SDRAM_ADDR[11:0]的值分别为0以及0x033(我真实器件使用的是0x023,仿真的时候选择错了,不过不影响看波形),从这幅图中应该可以很清楚的看到,SDRAM时钟频率为100Mhz,同时与FPGA的SDRAM控制器的100MHZ时钟存在相位差(延迟-90reg),这是必要的。

因为,在SDRAM控制时钟上升沿,产生命令,然后在随后的SDRAM时钟上升沿,命令已经稳定了,这样就方便了SDRAM顺利的取得命令。数据传输也是同样的道理。仿真中我选择的相位差为72度

 

波形4:写SDRAM数据,结合上一篇文章中的FIFO操作,这个波形应该很容易理解了,最后两行:

sys_data_in是FIFO传递给SDRAM控制模块的数据,

sdram_data是SDRAM的数据总线,两者之间有1个时钟周期的延时。

从图中可以看出,首先SDRAM控制器发出了行有效命令(10011),选中了第0个逻辑块的第0行,然后在两个时钟周期后,发出了写命令(10100),列地址为0,同时不加延迟的把第一个数据0x0000放在了sdram的数据总线上,该命令执行一次,可以看到写入了8个16bit数据,这也就对应了前面所说的突发长度。

此外,细心的朋友可以看到,在写命令时,地址线的值为 0x400,其中的4对应 A10,给它设置1,表示允许自动预充电

那么什么是自动预充电呢?

SDRAM在每次读取操作后,逻辑为1的数据被读取后会放电,很有可能会导致其逻辑值变为0,故,需要再写入数据,保证读取后值不丢失。所以,自动预充电还是蛮必要的。

波形5:15us一次的自刷新。。对应命令10001。从图中可以看出,一旦SDRAM开始运行,自刷新将遍布在SDRAM的整个生命周期中,15us一次,不多不少。这是维持SDRAM稳定工作的动力源泉。

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