第012课 内存控制器与SDRAM

2020-09-30 10:45:15 浏览数 (1)

原文地址： wiki.100ask.org

第001节辅线1硬件知识_内存接口概念

首先来分析下操作GPIO控制器和操作UART控制器两者的区别。

如图是S3C2440是个片上系统，有GPIO控制器（接有GPIO管脚）,有串口控制器 (接有TXD RXD引脚)。

配置GPIO控制器相应的寄存器，即可让引脚输出高低电平；配置UART控制器相应的寄存器，即可让引脚输出波形。前者相对简单，类似门电路，后者相对复杂，属于协议类接口。类似的协议类接口还有iic、iis、spi等。 对于CPU是不管什么接口的，它只写相应的寄存器，由控制器根据寄存器的配置去控制具体的引脚。

那么CPU是如何访问各个不同的寄存器的呢？

CPU只管发出一个地址，内存控制器根据该地址选择不同的模块，然后从模块中得到数据或者发送数据到模块中。

前面的GPIO/门电路接口、协议类接口，都不会把地址输出到外部，接下来的内存类接口，会把地址输出到外部，比如Nor Flash、网卡、SDRAM。

如图，SDRAM、DM9000网卡、Nor Flash都接在JZ2440的数据总线和地址总线上，CPU把数据和地址发送出去，然后内存控制器根据片选信号选择相应的设备接收地址和数据信号，互不干扰。

片选信号和地址的关系怎么确定？

这个是由2440芯片特性决定的。

  • 当选择Nor Flash启动时，CPU发出的指令的地址范围处于0x0000000 - 0x06000000，内存控制器就会使nGCS0处于低电平（片选引脚被选中），Nor Flash被选中。
  • 当CPU发出的指令的地址范围处于0x20000000 - 0x26000000，内存控制器就会使nGCS4处于低电平（片选引脚被选中），网卡被选中。
  • 当CPU发出的指令的地址范围处于0x30000000 - 0x36000000，内存控制器就会使nGCS6处于低电平（片选引脚被选中），SDRAM被选中。 内存控制器根据不同的地址地址范围，发出不同的片选引脚，只有被片选引脚选中的芯片才能正常工作，不被选中的芯片就像不存在一样，不工作。

GPIO/门电路接口、协议类接口、内存类接口都属于CPU的统一编址。对于Nand Flash，在原理图上它的地址线并没有连接到CPU，因此它不参与CPU的统一编址。但它的数据线也接到了数据总线上，为了防止干扰，它也有一个片选信号(CE)。当CPU访问Nand Flash时，Nand Flash控制器才会片选Nand Flash，让其接收数据总线上的数据。

再来看下Nor Flash的空间，0x00000000 * 0x06000000，为128M，即每一个片选信号可以选择的空间是128M=2^27，也就需要A0、A1……A26，共27根地址线。CPU发出的32位地址线，内存控制器根据地址范围，片选上相应的bank，并将地址转化为27位。

第002节辅线1硬件知识_不同位宽设备的连接

参考2440芯片手册，可以看到内存接口与8-bit ROM连接时，2440的A0与外部芯片的A0相连。

当与两个8-bit ROM拼接成的一个16-bit ROM连接时，2440的A1与外部芯片的A0相连。

当与四个8-bit ROM拼接成的一个32-bit ROM连接时，2440的A2与外部芯片的A0相连。

当与一个16-bit ROM连接时，2440的A1与外部芯片的A0相连。

可以看出外接芯片的位宽有变化时，地址线的接法也会有变化。那这个变化有什么规律呢？

假设CUP执行：

MOV R0， #3 @去地址为3的内存上 LDRB R1, [R0] @ 从内存为3的地址上，读出一个字节

如图有8bitROM、16bitROM、32bitROM。

8个bit组成一个字节，字节是计算机的最小的存储单位，因此我们读取数据肯定都是8bit的倍数。 * 对于8bitROM ，8bit是一次读写的最小单位，即0地址是第一个8bit，1地址是第二个8bit;CPU发出的命令是读取地址为3上的数据，即A0和A1都为1，8bitROM的A0和A1收到的也都是1，于是找到了ROM上地址为3的8bit数据,包含了我们需要的数据。 * 对于16bitROM ，16bit是一次读写的最小单位，即0地址是第一个16bit，里面有两个8bit数据;CPU发出的命令是读取地址为3上的数据，即A0和A1都为1，16bitROM的A0和A1分别收到的是1和0，于是找到了ROM上地址为1的16bit数据，包含了我们需要的数据，最后内存控制器再帮我们挑选出所需的8bit数据。 * 对于32bitROM ，32bit是一次读写的最小单位，即0地址是第一个32bit，里面有四个8bit数据;CPU发出的命令是读取地址为3上的数据，即A0和A1都为0，32bitROM的A0和A1收到的都是0，于是找到了ROM上地址为0的32bit数据，包含了我们需要的数据，最后内存控制器再帮我们挑选出所需的8bit数据。

ROM/bit

CPU发出地址

ROM收到地址

ROM返回数据

内存控制器挑选出数据给CPU

8bit（ROM)

000011

000011

编号3的存储单元中的8数据

编号3的存储单元中的8bit数据

16bit（ROM)

000011

000001

编号1的存储单元中的16数据

根据”A0=1”,挑出低8bit数据

32bit（ROM)

000011

000000

编号0的存储单元中的32数据

根据“A0A1=11”,挑出最低8bit数据

接到芯片上的引脚用来确定读取芯片上的哪一个单元的数据，把这个单元的数据返回给内存控制器，内存控制器会根据没有连接芯片的引脚，来确定返回哪一个单元的数据给CPU,

再举一个例子： 假如传递一个32位的数据时

MOV R0, #4 LDR R1, [R0] @去地址4，读取4字节数据

执行过程如下：

  • 8bitROM: 当CPU发出地址（000100），内存控制器会把000100,000101,000110,000111处的地址转发给ROM，ROM会把得到的地址000100,000101,000110,000111，上的数据返回给内存控制器，内存控制器会把得到的4个8bit的数据组装成一个32位的数据返回给CPU。
  • 16bitROM: 当CPU发出地址（000100），内存控制器会把00010，00011处的地址转发给ROM，ROM会把得到的地址00010，00011，上的数据返回给内存控制器，内存控制器会把得到的2个16bit的数据组装成一个32位的数据返回给CPU。
  • 32bitROM: 当CPU发出地址(000100)，内存控制器会把0001处的地址发送给ROM，ROM会把得到的地址0001上的数据返回给内存控制器，内存控制器会把得到的1个32bit数据返回给CPU。

怎样确定芯片的访问地址： 1. 根据片选信号确定基地址， 2. 根据芯片所接地址线确定范围

实例： Nor Flash 使用的是片选0(nGCS0),基地址为0，用到A20,A19……A1，A0共21条地址线，所以地址范围为0x00000000 ~ 0x1FFFFF也就是2M的空间大小。 网卡(Net)使用的是片选4(nGCS4),基地址为0x20000000，用到A2,A0共2根地址线，所以地址范围为0x20000000 ~ 0x20000005。 SDRAM使用的是片选6(nGCS6),基地址为0x30000000。

-

Nor Flash

Net

SDRAM

基地址（base）

0x00000000

0x20000000

0x30000000

取址范围

0x00000000~0x1FFFFF

0x20000000~0x20000005

比较特殊，后面讲解

第003节辅线1硬件知识_时序图分析示例

这节我们分析一下我们了解时序图，信号之间是怎样一起工作的，以Nor Flash 为例。

2440和Nor Flash 之间有地址线，数据线，还有各种数据线连接。

以Nor Flash为例，分析下如何设置它的时序。

如图是S3C2440的Nor Flash控制器的读时序图，里面很多参数都需要根据外接芯片的性能进行设置，有的芯片性能好、响应时间快，就可以把参数时间设置小一点，释放更好的性能。

如图是Nor Flash芯片的读时序。

我们需要做的就是设置S3C2440的Nor Flash控制器时序去满足Nor Flash芯片的时序。每个参数的参考范围可以通过AC CHARACTERISTICS得到。

结合Nor Flash芯片的两张图，可以得到如下信息:

  • 发出地址数据(Addresses)后，要等待Taa(要求大于等于70ns)时间，地址数据才有效;
  • 发出片选信号(CE#)后，要等待Tce(要求大于等于70ns)时间，片选信号才有效;
  • 发出读信号(OE#)后要等待Toe(要求大于等于30ns)时间，读信号才有效;

为了简单我们把地址数据(Addresses)，片选信号(CE#)，读信号(OE#)，同时发出，然后让它们都等待70ns(等待信号有效)。对应S3C2440的Nor Flash控制器的读时序图，需要让地址信号A[24:0]、片选信号nGCS、读信号nOE同时发出，保持Tacc大于等于70ns。

查阅S3C2240的参考手册，Nor Flash是接在BANKCON0上的，因此只需要设置BANKCON0即可。

可以看到Tacc上电初始值是111，对应14个clocks。系统上电采用12MHz的晶振，HCLK=12MHz，Tacc=(1000/12*14)≈1166ns，这个值很大，几乎可以满足所有Nor Flash的要求。

启动后，将HCLK设置为100MHz，T=1000/100=10ns，Tacc需要大于等于70ns，因此设置Tacc等于101，8个clocks即可。

在前面uart实验的源码基础上，新建init.c和init.h两个文件。

在init.c里面只需要设置BANKCON0寄存器即可。

代码语言：javascript复制
#include "s3c2440_soc.h"
void bank0_tacc_set(int val)
{
    BANKCON0 = val << 8;
}

init.h进行函数声明。

代码语言：javascript复制
#ifndef _INIT_H
#define _INIT_H
void bank0_tacc_set(int val);
#endif

最后在主函数里面，通过串口获取输入的值，传入bank0_tacc_set()函数里，设置Tacc，然后再读取Nor Flash上的闪灯程序。

代码语言：javascript复制
#include "s3c2440_soc.h"
#include "uart.h"
#include "init.h"

int main(void)
{
    unsigned char c;

    uart0_init();
    puts("Enter the Tacc val: nr");

    while(1)
    {
        c = getchar();
        putchar(c);
        if (c >= '0' && c <= '7')
        {
            bank0_tacc_set(c - '0');
            led_test();
        }
        else
        {
            puts("Error, val should between 0~7nr");
            puts("Enter the Tacc val: nr");
        }
    }
    return 0;
}

实验效果：

输入0~4,Tacc小于70ns,无法读取Nor Flash上数据，LED不能闪烁。

输入4~7，Tacc大于70ns,可以读取Nor Flash上数据，LED不断闪烁，且值越小越快(区别不明显)。

第004节辅线1硬件知识_SDRAM的设置

本节将讲解如何设置SDRAM，如果想对内存有更多的了解，可以在网上搜索看下这篇文档“高手进阶_终极内存技术指南——完整/进阶版”。

在JZ2440上接有64M的SDRAM，如果想要使用SDRAM，需要对内存控制器做一些设置。 在前面第一节讲到，CPU将数据或地址发给内存控制器，内存控制器再去访问外部的SDRAM，因此设置内存控制器就说本节的核心。

如图是SDRAM存储结构逻辑图：

SDRAM总共有4个块(Banks)，可以认为每个块就是一个表格，里面的每个格子表示的是16bit数据。

  • 问题1：怎样访问里面的某个格子呢？
    1. 首先发出一个片选信号，选中整个芯片;
    2. 发出Bank地址，选择是哪一个Bank(块，即表格);
    3. 发出行地址;
    4. 最后发出列地址，才能选中是个格子;
  • 问题2：那么多的信号有谁发出呢？

由内存控制器发出，所以我们需要设置内存控制器，CPU只是简单的执行读写内存的命令，其他的都交给内存控制起来处理。 例如

LDR R0,=0x30000000 LDR R1,[R0]

  1. CPU把0x30000000这个地址发给内存控制器，内存控制器根据这个地址，判断属于哪个范围，然后发出相应的片选信号。
  2. 根据类型(比如SDRAM)拆分成三部分：发出Bank地址、发出行地址、发出列地址。

对于上面的三个，怎样拆分呢？

行地址线有几条，列地址线有几条，都要设置内存控制器里面相关寄存器。

  1. 读数据

综上所述：对SDRAM的访问可以分为如下步:

  1. CPU发出的片选信号nSCS6有效，它选中SDRAM芯片。
  2. SDRAM中有4个L-Bank，需要两根地址信号来选中其中之一，根据原理图，可知使用ADDR24，ADDR25作为L-Bank的选择信号。
  3. 对被选中的芯片进行统一的行/列（存储单元）寻址。

根据SDRAM芯片的列地址线数目设置CPU的相关寄存器后，CPU就会从32位的地址中自动分出L_Bank片选信号，行地址信号，列地址信号，然后先后发出行地址信号，列地址信号。L_Bank选择信号在发出行地址信号的同时发出，并维持到列地址信号结束。

根据原理图可知：

地址、列地址共用地线ADDR2—ADDRI4（BANK6位宽为32，ADDRO/I没有使用），使用nSRAS、nSCAS两个信号来区分它们。

比如本开发板中，使用两根地址线ADDR24、ADDR25作为L-Bank的选择信号：SDRAM芯片K4s5m632的行地址数为13，列地址数为9，所以当nSRAS信号有时，ADDR2—ADDR14上发出是行地址信号，它对应32位地址空间的b可23m]：当nSCAS信号有效时，ADDR2—ADDR10上发出的是列地址信号，它对应32位地址空间的bit[0：2]；由于BANK6以32位的宽度外接DRAM，ADDR0、ADDR1恒为0，不参与译码。

  1. 找到了存储单元后，被选中的芯片就要进行统一的数据传输了。

开发板中使用两片16位的SDRAM芯片并联组成32位的位宽，与CPU的32根数据线(DATA0—DATA31)相连。 BANK6的起始地址为0x30000000，所以SDRAM的访问地址为0x30000000～低0x33FFFFFF，共64MB。

2440内存控制器设置：

内存控制器共有13个寄存器，

BANK0–BANK5只需要设置BWSCON和BANKCONx(x为0～5）两个寄存器；

BANK6、BANK7外接SDRAM时，除BWSCON和BANKCONx（x为6、7）外，还要设置REFRESH、BANKSIZE、MRSRB6、MRSRB7等4个寄存器。

下面分类说明各个寄存起的设置。

  • 1.位宽和等待控制寄存器BWSCON(BUSWIDTH&WAITCONTROLREGISTER)

BWSCON中每4位控制一个BANK，最高4位对应BANK7(没有使用)、接下来4位对应BANK6。

（1）ST6[27]: 启动/禁止SDRAM的数据掩码引脚，对于SDRAM，此位为0：对于SRAM此位为1。

（2）WS6[26]：是否使用存储器的WAIT信号，通常设为0。

（3）DW6[25:24]：使用两位来设置相应BANK的位宽，0b00对应8位，0b01对应16位，0b10对应32位(开发板用的就是32位的)，0b11表示保留。

因此BWSCON寄存器的值为：0x22000000。

  • 2.BANK控制寄存器BANKCON6（BANKCONTROLREGISTER） 在8个BANK中，只有BANK6和BANK7可以外接SRAM或SDRAM。

(1)MT[16:15]：用于设置本BANK外接的是ROM/SRAM还是SDRAM,SRAM：0b00，SDRAM：0b11(开发板使用的是SDRAM)。

当MT[16:15]设置为00时，此寄存器与BANKC0N0、BANKCON5类似，不再赘述。

当MT[16:15]设置为11时，此寄存器其他值如下设置。

（2）Trcd[3:2]：行地址和列地址间隔多长时间，看芯片手册时间间隔是20ns，本来开发板的HCLK是100MHZ,clocks为10ns,所以设置为推荐值0b00(2clocks)。

（3）SCAN[1:0]：SDRAM的列地址位数，对于本开发板使用的SDRAMK4S561632。列地址位数为9，所以SCAN=0b010如果使用其他型号的SDRAM，需要查看其数据手册。来决定SCAN的取值。0b00表示8位，0b01表示9位，0b10表示10位。

综上所述，本开发板中BANKCON6设为0x017001。

  • 3.刷新控制寄存器REFRESH(REFRESHCONTROLREGISTER)

（1)REFEN[23]：0=禁止SDRAM的刷新功能，1：开启SDRAM的刷新功能(设置开启SDRAM的刷新功能)。

（2）TREFMD[22]：SDRAM的刷新模式，0=CBR/AutoRefresh，1=SelfRefresh（一般在系统休眠时使用），我们设置默认值。

（3）Trp[21：20)：根据芯片手册设为0即可。

（4）Tsrc[19：18]:根据芯片手册设为默认值0b01即可。

（5）RefreshCounter[10:0]：即R_CNT

R_CNT可如下汁算（SDRAM时钟频率就是HCLK)： R_CNT=2^11 1-SDRAM时钟频率(MZ)*SDRAM刷新周期(us)

SDRAM的刷新周期在SDRAM的数据手册上有标明，在本开发板使用的SDRAM:K4S561632的数据手册上，可看见这么一行“64msrefreshpenod(8KCycle)所以，刷新周期=64ms/8192=7.8125us。 Refreshcount=2^11 1-100x7.8=1269=0x4F5。

因此，本开发板中REFRESH设为0x8404F5。

  • 4.BANKSIZE寄存器REFRESH（BANKSIZEREG ISTER）

(1)BURST_EN[7]：0=ARM核禁上突发传输，1=ARM核支持突发传输(推荐)；

(2)SCKEEN[5]：0=不使用SCKE信号令SDRAM进入省电模式，1=使用SCKE信号令SDRAM进入省电模式(推荐)；

(3)SCLK-EN[4]：0=时刻发出SCLK信号，1=仅在访问SDRAM期间发出SCLK信号（推荐）；

(4)BK76MAP[2:0]：设置BANK6的大小。本开发板BANK6外接64MB的SDRAM，令[2:0]=b001（64M/64M），表示BANK6/7的容量都是64MB，虽然BANK7没有使用。

因此，本开发板中BANKSIZE设为0xB1。

  • 5.SDRAM模式设置寄存器MRSRBx6(SDRAM MODE REGISTER SET REGISTER）

能修改的只有位CL[6:4],这是SDRAM时序的一个时间参数，表示发出行、列地址后，等多久才返回收到数据， CL可以取值为0b0l0（2 clocks）或0b011（3 clocks）。

本开发板取最保守的值0b010,所以MRSRB6的值为0x20。

下面开始写程序： 在init.c里面进行对内存控制器的寄存器依次进行设置：

代码语言：javascript复制
void sdram_init(void)
{
    BWSCON = 0x22000000;
    BANKCON6 = 0x17001;
    BANKCON7 = 0x17001;
    REFRESH  = 0x8404f5;
    BANKSIZE = 0xb1;
    MRSRB6   = 0x20;
    MRSRB7   = 0x20;
}

再写一个测试函数，向SDRAM里面连续写1000个数，再读出数据对比是否是设置的数，返回对比结果：

代码语言：javascript复制
int sdram_test(void)
{
    volatile unsigned char *p = (volatile unsigned char *)0x30000000;
    int i;

    // write sdram
    for (i = 0; i < 1000; i  )
        p[i] = 0x55;

    // read sdram
    for (i = 0; i < 1000; i  )
        if (p[i] != 0x55)
            return -1;

    return 0;
}

在主函数里调用sdram_test()测试函数，如果测试成功，LED闪烁：

代码语言：javascript复制
int main(void)
{
    uart0_init();

    sdram_init();

    if (sdram_test() == 0)
        led_test();

    return 0;
}

实验结果：

LED按预期闪烁，屏蔽掉sdram_init()后，LED不闪烁。

缓存 flash 硬件开发 单片机

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