SDR SDRAM控制器设计[通俗易懂]

2022-09-16 21:11:57 浏览数 (1)

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

目录

前言

1、关于刷新

2、关于数据中心对齐

3、SDRAM芯片手册介绍

3.1SDRAM芯片的管脚

3.2 SDRAM指令集

3.3 模式寄存器

3.4 关于SDRAM上电初始化和装载模式寄存器

3.5 SDRAM刷新时序

3.6 关于写访问

3.7 关于突发访问

4、FPGA工程设计

4.1状态机设计

5、仿真测试

5.1仿真模型

5.2仿真项目

5.2testbench

前言

工作中使用过SDRAM芯片，型号：IS42/45R86400D/16320D/32160D

对SDRAM使用中需要注意的一些事项进行整理。

在SDRAM设计中，需要注意三点：（1）若状态机使用clk时钟，则采用多少相位的时钟给SDRAM芯片管脚/采用多少相位的时钟采样SDRAM芯片返回的回读数据？（2）关于刷新的处理方式。（3）状态转移的设计，如何响应读写和刷新请求，冲裁机制是怎样的？

若仔细思考过上面三个问题，剩下的就按SDRAM芯片手册时序图写代码即可实现该控制器。

再进一步提高，就是思考如何对代码、对时序优化、提高速度的问题。

1、关于刷新

关于SDR SDRAM的刷新机制，有一点值得说明一下：64ms刷新8K次；或类似的刷新要求吧

这一点，是指64ms内，需要进行8K次自刷新，但是它并没有要求这8K次平均分布在64ms的时间区域内。

也就是说，你可以在64ms里的第一个ms内，直接做完8K次刷新；在省下的63ms内，你可以不进行刷新操作。

读者会疑问，这样的刷新操作 与 8K次刷新均匀分布在64ms区间的差别在哪？？？？

若你第1ms就执行完8K次刷新，则你省下的63ms就可以上SDRAM去做读写操作！

换个意思就是说，在不需要进行SDRAM读写访问的时候，就让它多做一些刷新；这样就能为读写操作提供大量完整的时间，而不被刷新操作打断！

2、关于数据中心对齐

需要注意信号的跨时钟域处理，信号从一个时钟域出来，如何在另一个时钟域进行准确的采样接收。

若sys_clk用于状态机发送命令cmd[3:0]、地址address[12:0]，可以采用sys_clk_180相移180度的时钟来驱动SDRAM芯片的时钟管脚。

在数据写入SDRAM时，SDRAM芯片用sys_clk_180时钟来对cmd、address、DQ进行数据采样；

在读访问SDRAM数据时，状态机在sys_clk时钟驱动下发送读命令cmd[3:0]、读地址address[12:0]，然后使用sys_clk_180时钟采样SDRAM返回的读数据。

上述红色字体格外需要注意，因为若采用sys_clk时钟采样SDRAM返回的读数据的话，可能就采样不到数据，modelsim仿真也会显示无法采样三态门IO端口回读到的数据。比如，下图仿真遇到的问题。

I端口向IO端口写数据：在EN_SEL_N_DLY=0时，三态门将I端口数据送到IO端口。

EN_SEL_N_DLY=1时，O端口从IO端口回读数据：但O端口的数值在仿真中显示无法赋值给寄存器r_APP_RD_DATA？？

实际调试中，可能会遇到的问题：

举个栗子，提个问题：如果SDRAM在上电初始化的时候，没有进行load MODE register，请问其CAS潜伏期会是多少？

举个栗子，提个问题：如何保证送到SDRAM芯片管脚的CMD、addr、DQ与采样时钟是中心对齐的？如何采样SDRAM送出的DQ数据，保证采样的准确性？如何提高SDRAM控制器的工作频率？

3、SDRAM芯片手册介绍

SDR SDRAM芯片型号：IS42/45R86400D/16320D/32160D

3.1SDRAM芯片的管脚

3.2 SDRAM指令集

3.3 模式寄存器

通过配置模式寄存器，可以配置SDRAM芯片工作的状态。

通过配置模式寄存器，来配置SDRAM的：突发长度（burst length,BL）、突发类型、潜伏期（CAS Latency, CL）、操作模式、写突发模式。

3.4 关于SDRAM上电初始化和装载模式寄存器

按照芯片手册里的时序图配置即可，如下图所示。

需要注意的是，在SDRAM上电开始时刻，需要等待至少100us的时间，之后才开始给SDRAM配置下面的控制时序。

等待100us的时间，是为了等待PLL输出的时钟稳定；待PLL时钟稳定后，才开始初始化SDRAM、以及配置模式寄存器。

下图是手绘的上电和加载模式寄存器时序图。

初始化流程如下：

  1. 在复位结束、有时钟clk信号开始后，计时T1、即经历100us后，发送nop命令码；
  2. 所有bank预充电。在T1的下一个clk上升沿来临时、即在T2时刻，发送Precharge命令码，Sdr_a[10]=1拉高。。
  3. 第一次自动预充电。在T2之后，计时TRP的时间长度。在T3=T2 TRP到来时，发送REF命令码，执行第一次自动预充电。TRP最小是15ns，如果是100M时钟的话，TRP取两个clk周期即可。
  4. 第二次自动预充电。在T3之后，计时TRC，也即TRFC的时间长度。在T4=T3 TRFC到来时，发送REF命令码，执行第二次自动预充电。TRFC取个最大的下限是66ns，如果是100M时钟的话，TRFC取7个clk周期即可。
  5. 模式寄存器装入命令。在T5=T4 TRFC到来时，发送LMR命令码,即load mode register指令码，同时发送Sdr_a[12:0]=13’b0_0010_0010_0000（突发长度为1，潜伏期为2）和Sdr_ba=0,即选择bank0。TRFC取个最大的下限是66ns，如果是100M时钟的话，TRFC取7个clk周期即可。
  6. 输出初始化完成标志。 在T5之后，计时TRMD的时间长度。在T6=T5 TRMD到来时，发送初始化完成标志init_done。TRMD取个最大的下限是14ns，如果是100M时钟的话，TRMD取2个clk周期即可。

3.5 SDRAM刷新时序

下图中第一个指令Precharge，其作用是关闭当前行/所有行，即是在当前行/所有行关闭的情况下，才能执行刷新AutoRefresh操作。

如果在当前行/所有行没有关闭的情况下，进行刷新操作，会导致SDRAM中存储的数据丢失、或数据错误。

若每次读写结束就执行Precharge操作，则在进行刷新AutoRefresh操作时，是不需要在开始的时候发Precharge指令。

下图是执行了两次连续刷新操作，只进行一次刷新也是可以的。

3.6 关于写访问

在BL突发模式设置为1的情况下，可以按下面的时序，实现连续的写访问（必须是在SDRAM的同一行（同一页）访问）。

读访问，在BL=1的情况下，也可以实现类似的灵活访问。

3.7 关于突发访问

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，不能在一次突发访问中、出现SDRAM跨行的情况。举例，如BL=8，若起始地址=1023，当发下写命令后，SDRAM实际是对地址空间1023/0/1/2/3/4/5/6进行burst 写访问，而不是对地址空间1023/1024/1025…./1030进行burst写访问。

连续传输的周期数就是突发长度（Burst Lengths，简称BL）。

SDRAM芯片支持突发长度为1/2/4/8/全页。需要注意，突发访问，不能跨行（又称为跨页）访问。

当BL=2，一次写突发访问控制时序示例如下：

4、FPGA工程设计

（1）设计SDDRAM_CTRL控制器的输入输出端口，并绘制模块框图。

（2）确定SDDRAM_CTRL控制器的潜伏期CL、突发长度BL、模式寄存器配置。

（3）分析设计SDDRAM_CTRL控制器的时钟域，并绘制数据流图，注意数据的跨时钟域处理。

这点格外重要！比如，状态机的驱动时钟是clk，则SDRAM芯片管脚的驱动时钟相位是多少？用多少相位的时钟采样SDRAM信号范围的读数据？

（4）设计SDRAM_CTRL控制器的状态转移图。

（5）设计SDRAM_CTRL控制器的测试文件。

（6）按照设计好的文档进行Verilog代码编写。

（7）对SDRAM_CTRL控制器进行时序仿真。

（8）下板测试。

（9）多块板卡测试。

4.1状态机设计

SDRAM芯片手册里的状态转移

由上图可知，关键状态有：

  • INIT状态 ：系统上电后、等待CLK稳定后（100us），在该状态配置模式寄存器等相关信息。该状态仅在系统上电且CLK稳定后执行一次。以后状态机复位也仅进入IDLE状态，不再进入INIT状态。
  • IDLE状态 ：即空闲状态，在该状态对读请求/写请求/刷新请求进行仲裁判断。
  • ACT_ROW状态 ：激活行，之后跳转下一状态（WR_RD）。
  • WR_RD状态 ：在该状态，根据读写请求标志，发读写命令、读写地址、写数据等相关信息。
  • CLOS_ROW状态：在该状态，关闭行。之后，跳转对应状态。

上述几个状态的灵活应用，即可实现SDRAM的灵活访问。

5、仿真测试

5.1仿真模型

下面是仿真过程中遇到的仿真模型报告的问题，提升一个时间违规。

补充概念：

下文来自文献1：SDRAM 控制器的解析

1.Precharge与Refresh的区别？

两者都是对存储单元的电容进行充电、回写。但差异在于：

Precharge是对(一个或所有Bank)的所有工作行(active row)操作，并且是随机的，被操作工作行的地址在各Bank中不一相同。

Refresh是对所有行依次操作，且是有固定周期的，被操作行在各Bank中均相同。

2.AutoRefresh与SelfRefresh的区别？

AutoRefresh是user依照指定周期发给芯片的刷新命令

SelfRefresh是芯片内部逻辑发给自己的刷新命令

无论何种Refresh均不需要提供地址，它是芯片内部的自动操作。

3.R/W带与不带Auto Precharge的区别？

带AutoPrecharge时：在R时，芯片自动在(最后一个有效输出数据)前(CL-1)个时钟时产生Precharge命令。在W时，芯片自动在(最后一个有效输出数据)后(Twr)时间产生Precharge命令。

不带AutoPrecharge时，需要user在上述时刻自己产生Precharge命令。

4.CL参数只有效于Read操作。

5. 每个Bank中只能有一个Row处于active状态，且可以进行R/W。

如果想操作同Bank中的另外一个Row，必须使用Precharge关闭当前工作Row，然后再active目的Row，这样才能R/W

6. 每个Bank均active一个Row，依次在各个Bank间操作Row，这样避免R/W时消耗的多余时钟周期，可以提高数据传输带宽

7.正常Read时的Precharge

Auto_Precharge和手动Precharge都在最后一个有效数据(LVD)前CL-1个时钟上升沿发出 8. 手动Precharge终结Read

手动Precharge在最后一个有效数据(LVD)前CL-1个时钟上升沿发出 9.手动Burst Terminate终结Read

Burst Terminate在最后一个有效数据(LVD)前CL-1个时钟上升沿发出 10.正常Write时的Precharge Auto_Precharge和手动Precharge都在最后一个有效数据(LVD)后tWR/tDPL时间的时钟上升沿发出 11. 手动Precharge终结Write

手动Precharge在最后一个有效数据(LVD)后tWR/tDP时间的时钟上升沿发出，或者在Precharge同时使能DQM屏蔽掉同时刻写入的数据。 12.手动Burst Terminate终结Write

Burst Terminate在最后一个有效数据(LVD)后1个时钟上升沿发出 13.Burst Terminate与手动Precharge在终结Read/Write中的区别？

带AutoPrecharge的R/W过程中，禁止使用BT和手动Precharge命令。

Burst Terminate适用于 全页R/W、不带AutoPrecharge的突发R/W

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参考

作者

博文

1、 清霜一梦

SDRAM 控制器的解析

发布者：全栈程序员栈长，转载请注明出处：https://javaforall.cn/160069.html原文链接：https://javaforall.cn

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