当STM32遇到SDRAM

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SDRAM是DRAM(动态随机访问存储器)的一种，是最为普遍使用的大容量RAM——俗称内存。(不过“内存”本来是“内部存储器”的意思，相对于“外部存储器”——磁盘、磁带、光盘等。ROM实际上也属于内部的存储器，只不过不可写只能放固定的信息。但是有了EEPROM、Flash ROM之后，因为这些存储芯片也可以改写，就把“内存”和RAM的概念搅混了——卖手机的告诉你内存有多大。实际上Flash ROM的地位等同于以前的硬盘。)目前PC、服务器以及便携设备的RAM大部分是DDR RAM，也是SDRAM的一种(DDR SDRAM)，而一般说SDRAM被用来指非DDR的SDRAM了。

　　先看一下DRAM这类存储器的内部结构

　　每一个存储单元(1 bit)都是一个小电容加上控制它开关的晶体管，靠电容上有没有存储电荷来记忆0还是1的。所有的存储单元按行列排成一个矩阵：行控制线控制一行晶体管门极(控制通断)，列控制线则连接一列晶体管漏极。这样选中某一行时，这一行存储单元的电容就反映在列控制线上：可以读电压判断是0还是1，可以充电或者放电来改写这一行单元。实际的DRAM芯片要比这个复杂，首先电容会漏电，所以需要过一段时间就重新充电或放电来保持记忆；又比如因为矩阵太大了，线上的分布电容比存储单元还要大得多，所以需要Sense amplifier来放大微小电压，需要在读之前给列控制线上的电容进行预充电；又比如因为列数量大于数据总线宽度，一次读取的数据需要锁存起来供多个数据总线周期访问等等，所以控制逻辑是比SRAM复杂的。但是因为单元简单所以DRAM芯片容量做得很大，成本比SRAM要低很多。


　　SDRAM这个词的"D"代表动态，"S"代表同步，表示它需要一个时钟信号，读写信号在时钟沿上有效。重要的信号除了 CLK, CLKE(时钟允许), /CS(片选) 外，还有
/RAS (低有效): Row Address Strobe, 行地址输入。SDRAM的地址是行和列复用的，省了引脚啊。
/CAS (低有效): Column Address Strobe, 列地址输入。
/WE (低有效): 写使能
但这三个信号并不是按它们的本意单独使用的，而是组合起来定义了若干命令：

　　除了读和写的命令，还有配置SDRAM模式寄存器的命令，有维持电容(记忆需要)的刷新命令，有预充电的命令等。在读一个位置数据之前，要先选择所在的行，再输出列地址，等待数据准备好……看起来有点复杂了吧，一连串的SDRAM读操作可能是这样的：
所以，SDRAM读数据远远不如SRAM那么简单，SRAM只要把地址送过去，OE一拉低，随后数据就出来到总线上了。SDRAM首先得把行地址送过去，再把列地址送过去，然后SDRAM还要墨迹几个周期，数据才开始送出来。不过有流水线操作，连续读一个行内数据的时候吞吐速度还是有保证的。与SRAM的对比，主要劣势在于延迟大。

　　在单片系统里，如果片上的RAM不够用来存储频繁更新的数据或者程序，外扩RAM是一个解决办法。在引脚资源丰富的单片机上，大都可以连接SRAM，例如STM32F103就有FSMC控制器，但是SRAM芯片成本高且不便宜。要用SDRAM，必须要带有SDRAM控制器的MCU，用GPIO模拟？还是算了吧。ST的单片机我用过不少了，在F4，F7系列某些型号上，是带有支持SDRAM的FMC控制器的，提供了使用SDRAM的途径，不过一定要144 pin以上的器才可以有对应的引脚分配。


　　可惜的是Nucleo-144开发板上是不带SDRAM的，得Discovery上才有可能了。我自己DIY了一块F746Z的开发板 【2月DIY】STM32F7开发板自己造，为了参考评估又从论坛借来了一块F429i Discovery开发板。从官方的电路图上可以学习SDRAM是怎样与MCU连接的。

　　除了Axx地址线，Dxx数据线，NBLx字节选择线这几组是和其它FMC支持的存储器公用线外，其它都是SDRAM专用的。ST MCU的FMC支持两个SDRAM Bank（注意不是指一片SDRAM中的Bank），所以有两组片选和时钟使能。F429i Discovery使用的是Bank2，我自己DIY的是使用Bank1.

　　有了FMC支持，SDRAM用起来和片上SRAM一样读写(只不过速度慢点罢了，但容量绝对优势)。配置也是启动后配一次即可，在STM32F429的demo例子中，我找到了SDRAM部分的配置函数调用：
void SDRAM_Init(void)
{
  FMC_SDRAMInitTypeDef  FMC_SDRAMInitStructure;
  FMC_SDRAMTimingInitTypeDef  FMC_SDRAMTimingInitStructure;

  /* GPIO configuration for FMC SDRAM bank */
SDRAM_GPIOConfig();

  /* Enable FMC clock */
  RCC_AHB3PeriphClockCmd(RCC_AHB3Periph_FMC, ENABLE);

  /* Timing configuration for 90 Mhz of SD clock frequency (180Mhz/2) */
   FMC_SDRAMTimingInitStructure.FMC_LoadToActiveDelay    = 2;      
......
/* FMC SDRAM control configuration */
  FMC_SDRAMInitStructure.FMC_Bank = FMC_Bank2_SDRAM;
  /* Row addressing: [7:0] */
  FMC_SDRAMInitStructure.FMC_ColumnBitsNumber = FMC_ColumnBits_Number_8b;
......
  FMC_SDRAMInitStructure.FMC_SDRAMTimingStruct = &FMC_SDRAMTimingInitStructure;

  /* FMC SDRAM bank initialization */
  FMC_SDRAMInit(&FMC_SDRAMInitStructure);

  /* FMC SDRAM device initialization sequence */
  SDRAM_InitSequence();
}

　　这里有几个关键步骤：
1. 配置对应的GPIO引脚，不用多说了
2. RCC中使能FMC控制器
3. 配置SDRAM Bank的参数寄存器，包括Timing
4. 执行 InitSequence 给控制器发命令。

　　在ST手册上也描述了怎么配置FMC SDRAM部分的寄存器，其实说穿了也简单，主要是SDCR(1或者2), 和SDTR(1或者2). 然后用SDCMR来执行几次命令，等待SDSR寄存器的完成状态。最后在SDRTR中设置SDRAM刷新时间参数。

  SDCR 寄存器

NB 位是根据SDRAM内部Bank数
NR 位是根据SDRAM行地址位数
NC 位是根据SDRAM列地址位数
MWID 位是选择SDRAM数据线宽度
上面这几项设置决定了SDRAM的容量，例如16-bit数据宽度的SDRAM地址映射按照下图，最高位是Bank，然后行地址，再列地址


CAS 位是SDRAM的 /CAS Latency设定，是读命令发出后过多少个时钟周期输出数据有效，它是SDRAM器件的一个可配置参数。

WP 位是写保护，若置位则总线上的写请求被FMC忽略。
RBURST 位是允许突发读模式，RPIPE 位是AHB总线上读延迟。这两个设置的影响我还不清楚，有待后面详细测试。

SDTR 寄存器，配置关键的Timing参数，也就是状态之间的最小延迟时钟周期个数。不同速度的器件，和运行的频率，都影响需要的最小延迟。

一共有 TRCD, TRP, TWR, TRC, TRAS, TXSR, TMRD 这些参数，可以通过SDRAM器件的手册获得(直接或推算)，例如这样的表格


最影响SDRAM性能的关键参数是下表中的几个


　　关于Timing设置，延迟设置大了顶多吞吐速率低一点，但设置得不够长回造成读写不正确。我对STM32F429i开发板内带的Demo程序使用OpenOCD进行调试，读出来SDCR寄存器配置是0x29d4, SDTR寄存器配置是 0x00116361, 也就是设置了
CAS Latency=3
TRCD=1
TRP=2
TWR=2
TRC=7
TRAS=4
TXSR=7
TMRD=2

　　除了配置好控制器的参数外，SDRAM上电之后的初始化过程需要进行预充电、自动刷新、配置模式寄存器的过程。在FMC 的SDCMR寄存器中有对应的命令可供操作。


我写的测试初始化程序片段如下

        while(FMC_Bank5_6->SDSR & FMC_SDSR_BUSY); /* wait */
        FMC_Bank5_6->SDCMR =FMC_SDCMR_CTB1|1;   /* enable clock */
        delay_us(10000);

        while(FMC_Bank5_6->SDSR & FMC_SDSR_BUSY); /* wait */
        FMC_Bank5_6->SDCMR =FMC_SDCMR_CTB1|2;   /* precharge-all */

        while(FMC_Bank5_6->SDSR & FMC_SDSR_BUSY); /* wait */
        FMC_Bank5_6->SDCMR =FMC_SDCMR_CTB1|FMC_SDCMR_NRFS_2|FMC_SDCMR_NRFS_1|FMC_SDCMR_NRFS_0|3;    /* auto-refresh */

        while(FMC_Bank5_6->SDSR & FMC_SDSR_BUSY); /* wait */
        FMC_Bank5_6->SDCMR =FMC_SDCMR_CTB1|0x30<<9|4;   /* load Mode register: CAS Latency=2, burst=1 */

        /* 64ms, 4096 rows: 1542 for 100MHz, 1386 for 90MHz */
        FMC_Bank5_6->SDRTR = 105<<1;    // 8MHz

复制代码



　　值得提的是SDRAM芯片内部的模式寄存器(Mode Register), 如上图。它是通过SDRAM的地址线写入的数据(/CAS, /RAS, /WE同时为低)。这个寄存器中CAS Latency设置要和FMC控制器的设置一致。也因为Mode Register操作的存在(尽管不是唯一的原因)，SDRAM的地址线在连到MCU的对应引脚时是不能交换的，这和SRAM不同。不过，SDRAM的数据线在同一组内(比如DQ0到DQ7)是可以交换的，PCB布线时可以交换引脚来提供一些方便。

　　STM32F4/F7 将 SDRAM Bank1 映射到 0xC0000000 开始的地址，SDRAM Bank2 影射到 0xD0000000 开始的地址。虽然SDRAM数据线款可以是 8-bit/16-bit/32-bit, 从AHB总线看到的都是32-bit数据宽度，FMC内部有FIFO，它会自动拆分和拼接数据，使程序不用关心用的SDRAM芯片是什么规格的。还可以用DMA来从SDRAM传输数据。下面这个图是STM32F746的扩展内存地址映射图：


　　编写一段程序测试一下SDRAM的读写和基本吞吐性能吧。用C语言，一个指针就搞定的事情：

　　在F429i板子上，SDRAM是8MB容量的，接在Bank2，所以地址是 0xD0000000 开始的8MB范围，相当于2097152个32-bit字。这段程序就是用计数值将这8MB填满，随地址增加，写入的值每次加1. 同时，我用TIMER 5来定时，测试一下这个大循环用的机器周期数，评估SDRAM的吞吐速率。类似地，也可以用16-bit和8-bit为单位进行写操作，我也分别编写了函数。

　　要检查写进去的数据对不对，再写个函数将8MB内存读一遍，检查是否是每个地址的数据递增的。读的时候也可以用32-bit, 16-bit或者8-bit来访问，于是我的测试程序就检验了3遍：

　　一旦发现读出来数值与写入的不一致，就返回出错的地址。这样可以帮助Debug. 现在开发板MCU用默认内部16MHz HSI时钟运行，SDRAM的时钟为HCLK的一半，也就是8MHz了。F427执行写操作比我臆想的要慢:


　　当然按照32-bit访问进行读或者写的总线效率是最高的，最快的时候是2M次写SDRAM总共用了大概12582914个机器周期，也就是每6个机器周期写一次。毕竟，指令执行也需要时间嘛，又不是全部都是写内存的STR指令，还有循环，计数，条件判断呢。6个指令周期一次循环，也不很慢。至于是否因为访问SDRAM造成了延迟——得用内部SRAM操作来对比一下看才知道。

　　这里先查看一下汇编代码是怎样的：

    00000000 <f_word_write>:
       0:   4a09            ldr     r2, [pc, #36]   ; (28 <f_word_write+0x28>)
       2:   2300            movs    r3, #0
       4:   2101            movs    r1, #1
       6:   6253            str     r3, [r2, #36]   ; 0x24
       8:   f04f 4350       mov.w   r3, #3489660928 ; 0xd0000000
       c:   8011            strh    r1, [r2, #0]
       e:   f843 0b04       str.w   r0, [r3], #4
      12:   f113 5f3e       cmn.w   r3, #796917760  ; 0x2f800000
      16:   f100 0001       add.w   r0, r0, #1
      1a:   d1f8            bne.n   e <f_word_write+0xe>
      1c:   4b02            ldr     r3, [pc, #8]    ; (28 <f_word_write+0x28>)
      1e:   2200            movs    r2, #0
      20:   801a            strh    r2, [r3, #0]
      22:   6a58            ldr     r0, [r3, #36]   ; 0x24
      24:   4770            bx      lr
      26:   bf00            nop
      28:   40000c00

复制代码

　　这其中的循环是4条指令：
  0e: str.w   r0, [r3], #4
  12: cmn.w   r3, #796917760  ; 0x2f800000
  16: add.w   r0, r0, #1
  1a: bne.n   e
要写的数加1，写的地址每次加4，cmn指令比较地址是否到达要写的范围边界，bne是条件转移即循环的控制。这4条指令一共用6个指令周期，写SDRAM大概没有成为瓶颈。

　　有趣的是，从运行测出的结果看，用16-bit写入的时候，一次循环是7个指令周期；用8-bit写入时，一次循环又是6个指令周期了。此外，我试了下用部分循环展开的办法，减少循环的条件转移的开销，把32-bit写满内存时间缩短到原来的78%. 估计一下，如果用SDRAM作为被处理的数据存放地，性能上和片上SRAM相比损失不大，因为数据读写占CPU周期比例不会太多。不过，要作为代码存储例如运行uClinux，可能就有明显差距了。

　　STM32的FMC不支持SDRAM的连续Burst(突发)传输，还是有遗憾。在手册上是这么提的：burst length要设成1.
我尝试将burst length设成2/4/8, 结果测试就发现错误了。


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进一步了解了SDRAM

不错的资料，值得收藏，sdram存储器，确实很有优点！

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