零基础学FPGA （二十五） 一路走来 ：SDR SDRAM（架构篇）

  湖南最近终于也算是过了阴雨期，话说从开学到现在还没见过几个晴天。这几天还算好，阳光不错，学校里的樱花也开了，开得好是灿烂，但是面积不大，只有零零散散的几棵，每次到这樱花盛开的季节，总是有一个想法，就是去湖北武汉参加一下那里的樱花节。


       虽然作为男生，但是也对樱花情有独钟。尤其面对那“仙云昨夜坠庭柯，化作翩跹万玉娥”般的樱花雨没有丝毫抵抗力。牵着自己喜欢人的手，漫步在樱花飘落的樱花道，是不是一幅令人陶醉的场景？

       然而昨天还看新闻，说武汉大学的樱花节当日接待游客10W人，看樱花的人都在抱怨看得是人头，而不是樱花，这样说来，清明节假期去看樱花的人是不是更了不得了....本来打算清明节去一趟武汉，但是想起当时去杭州西湖的时候，瞬间就没了兴致，所谓西湖无断桥，只见人头啊...

      话说小墨在大学这2年多也去了不少地方，读万卷书，不如行万里路嘛，什么北京，上海，杭州啊，桂林，凤凰，南岳啊以及周围的一些城市，长沙，武汉的就不用说了，最近同学又在组织去张家界了，而我更倾向于厦门和黄山，至于张家界，九寨沟等毕业之后再好好去看一下吧，要知道我可是个旅游达人~



        旅游当然是要的，但是我们的专业知识也还是要好好学的，今天我们来讲的是SDRAM的架构以及设计，这也是小墨第一次接触架构，也谈不上给大家讲，就是把我理解的当做一个笔记分享给大家，我也试着做了一个SDRAM 的架构word文档，在文章的后面，喜欢的朋友可以下载下来看一下，有什么错误也请积极指正，毕竟我也是没有老师教，也是自己摸索的，难免有些不合理的地方。

一、SDRAM 工作部分

1、上电初始化


             我们先来看第一部分，上电初始化。上电初始化我们知道，上电之后我们需要等待200us的稳定期，这段时间我们可以用一个定时器来计数，这没什么问题，然后进入的是预充电部分，这个时候，预充电的时候，sdram_cmd模块会检测此时的初始化状态机的状态，若处于预充电状态，那么sdram_cmd模块向SDRAM发命令，具体命令sdram的datasheet里面有，发的是一个precharge，即预充电，发完命令之后，需要等待一段时间，来确保这个命令被SDRAM捕获，这等待的时间，特权老师用的方式我觉得很好


         用一个宏定义，当计数器计数到相应的时间后，预充电完成参数置位 即end_trp 置位，下面的用法也是一样，即当初始化状态机进入预充电状态i_pre时，计数器开启，开始计数，计数完成，也就是预充电结束的时候，计数器复位，这个复位的控制，可以用case语句来检测初始化状态机的状态，在相应的状态给予相应的复位与置位
         接下来是8个自刷新，操作和预充电一样
         到了模式寄存器的配置阶段，我们需要选定L_bank，以及SDRAM工作模式的配置，当sdram_cmd模块检测到初始化状态机到达模式寄存器配置阶段时，我们的给SDRAM的sdram_bank端口赋相应的值，并且设置地址总线




当初始化结束的时候，标志位init_done置位，告诉工作状态机，初始化状态机已经结束，进入工作状态。下面是我用word做的上电初始化的状态转移图





2、自刷新

初始化结束之后，SDRAM为了防止数据丢失，要进行自刷新，上一篇文章已经讲过了，刷新2^12行需要64ms，也就是每15us刷新一行，也就是我们需要每15us发送一次自刷新请求给SDRAM工作状态机，状态机一旦检测到自刷新请求信号，就告诉sdram工作模块，然后工作模块就向SDRAM发送自刷新命令，即CMD_A_PEF

下面是自刷新的状态转移图



3、读写状态

      初始化结束以后，SDRAM就处于工作状态，每15us进行一次自刷新，这个时候，如果想要读或写数据的话，即向工作状态机sdram_work_FSM发送读写请求，如果是读请求，那么工作状态机进入行有效状态，也即激活状态w_active，此时，sdram_cmd模块会发送行有效命令，即CMD_ACTIVEA

      同时，我们需要将我们的12位行地址送给我们的sdram地址总线sdram_addr，然后便是一个等待时间段，TRCD，这个时间段里我们是不需要做什么工作的，只需等待TRCD结束

      TRCD结束的时候，工作状态机进入读状态，此时，我们需要发送列地址选中我们的存储单元，并告诉sdram_cmd模块发送读命令，这个过程是读命令和列地址同时发送的。我们知道，读命令发出之后，会进入潜伏期TCL。

       这个状态我们也不需要做什么，因为我们在模式寄存器配置阶段已经将各种参数配置好了，包括什么潜伏期长，突发读写长度之类的，等到潜伏期结束之后，SDRAM会自动进行读数据，而且读的数据长度会跟我们之前设置的一样长，这个读数据的状态需要时间，即我们的工作状态机工作在w_rd状态，等待8个时钟周期之后，所有的数据都已经被送到数据总线。

       这个时候我们需要等一会，因为我们在发送读命令的时候，A10是置1的，也就是说，每次读写完之后要自动进行预充电，从而才可以打开新的工作行，这时，我们的工作状态机即进入了w_rwait状态，等到预充电结束，才完成一次读操作，返回初始状态，等待下一个请求的到来




       下面是读写状态转移图，由于写状态只是没有潜伏期，写完之后有一个写回延时，其他地方与读状态相同，我就不再介绍了




二、模拟信号产生部分

        我们先来想一下我们的要想测试我们的SDRAM控制器是否正确，都需要什么测试参数吧

       1、 首先我们需要发送读写地址对吧，但是我们需要有一个间隔，即每隔一段时间发送一次写地址，为什么呢？因为我们之前在模式寄存器配置的时候，定义了突发读写的长度为8，也就是我们发送一个地址，那么sdram会在连续的8个地址中连续写8次数，我们如果要再发送地址，需要等到这8次地址写完之后再发送下一个地址这个延时大概为640ns，也就是计数器为什么要计到3f的原因，下一个地址的发送就需要比之前的地址大8了，比如第一次我发送的是0地址，那,隔一段时间之后，我就需要发送8地址了。

        读地址也一样，当写地址写满了之后，让地址清零，从零地址读起即可


        还有再解释一下，特权老师为什么定义22位的模拟地址，22位的模拟地址包括2位的L_BANK的地址，12位行地址和8位列地址。有人会问，为什么是行地址和列地址分开呢，不是行列地址共用吗？注意这里只是模拟地址，到时候我们给地址总线赋值的时候是分开赋值的

      
     2、然后我们需要产生递增数据，每640ns产生8个数即可

      
      3、在发送递增数据之前，我们需要发送写请求信号，这个写请求信号是要发送到我们接下来要讲的FIFO里面，发送写请求之后，数据进入FIFO，注意，这里的写请求是发送给FIFO的，不是发送到SDRAM的，SDRAM的写请求是由FIFO发出去的


         有人会问，写请求有了，是不是还该有读请求，要知道，我们的数据是先写到FIFO里面，再有SDRAM对FIFO进行读操作，将写进FIFO的数据再送到SDRAM，而我们从SDRAM中读回的数据，同样要写到FIFO里面，然后我们再从FIFO里面读。是不是有人会问，这不是多此一举吗？其实不然，要知道我们的SDRAM是工作在100M的时钟频率下，而且是有相位偏移的，对我们FPGA来说是一个异步时钟，如果我们不采用FIFO的形式，那很容易发生亚稳态问题，导致系统不稳定

三、数据缓存部分

   1、写FIFO


         我来解释一下，写入时钟，也就是我们FPGA的时钟，50MHZ，在这个时钟频率下，我们需要给FIFO发送写请求和递增数据，wrusedw反映了我写入FIFO的占用量，当sdram工作状态机检测到写请求之后（FIFO发出的写请求），会产生一个响应，告诉FIFO要读数据了，这个响应作为FIFO的读信号，在100MHZ的时钟频率下，将我们写入的数据读走，送到SDRAM数据总线上

        2、读FIFO


      读FIFO跟写FIFO相反，写FIFO时钟为100MHZ，在这个时钟频率下，我们将从SDRAM中读回的数据写到FIFO里面，注意这里我们还用了wrusedw，来反应写FIFO的占用量，也就是我们从SDRAM里读了多少数据，然后在50MHZ的时钟下，将从SDRAM读回的数据采集下来，送到显示模块来验证是否是递增数据，这个显示模块我们用数码管来显示，比较方便，为了观察清楚，我们可以在数码管显示模块，每隔1S种发送一次读FIFO请求，这样在数码管上，会每隔1秒钟显示一个递增的数据了

       大体上就是这么多了，整个SDRAM的工作过程就介绍完了，还有些细节没讲到的，大家可以自行消化，有不懂的可以给我留言，或者加我QQ微信，欢迎交流

      下一篇文章我们讲时序，真正在板子上让它跑起来才是王道，下面附上我做的一个word，还请各位大神指正~

以后小墨同学的文章将在EDNchina和北京至芯科技官方技术论坛同时更新，至芯科技的官方技术论坛也有很多的资料供大家下载，里面也有小墨的专题板块，希望广大网友和爱好者的大力支持~
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小墨同学，能把你的SDRAM工程文件给我么 790846374@qq.com  谢谢了

路过我是来打酱油的,给力一下!






















假如不正當地安裝 嵌入 式 電磁爐 安裝嵌入式電磁爐，我們日後便會面臨維修的問題。但安裝程序需應用到電工的知識，所以一般不建議用家自行安裝。