【黑金原创教程】【FPGA那些事儿-驱动篇I 】实验二十二：SDRAM模块⑤ — FIFO读写

 

经过漫长的战斗以后，我们终于来到最后。对于普通人而言，页读写就是一名战士的墓碑（最终战役） ... 然而，怕死的笔者想透过这个实验告诉读者，旅程的终点就是旅程的起点。一直以来，笔者都在烦恼“SDRAM是否应该成为储存类？”SDRAM作为一介储存资源（储存器），它的好处就是大容量空间，坏处则就是麻烦的控制规则，还有中规中矩的沟通速率。

相比之下，片上内存无论是控制的难度，还是沟通的速率，它都远远领先SDRAM。俗语常说，愈是强力的资源愈是珍贵 ... 对此，片上内容的容量可谓是稀罕的程度。实验二十二的要求非常单纯：

”请问如何建立基于SDRAM储存资源的FIFO存储模块呢？“，笔者问道。

图22.1 SDRAM基础模块。

图22.1是基于实验十八修改而成的SDRAM基础模块，修改对象除了SDRAM控制模块以外，SDRAM功能模块保持实验十八的状态，即单字读写。SDRAM控制模块，除了多出Tag以外，Addr的驱动也由该模块负责。具体的内容，让我们来看代码吧：

1.    module sdram_ctrlmod

2.    (

3.        input CLOCK,

4.        input RESET,

5.        input [1:0]iCall, // [1]Write, [0]Read

6.        output [1:0]oDone,

7.        output [3:0]oCall,

8.        input iDone,

9.        output [23:0]oAddr,

10.        output [1:0]oTag

11.    );

12.        parameter WRITE = 4'd1, READ = 4'd4, REFRESH = 4'd7, INITIAL = 4'd8;

13.        parameter TREF = 11'd1040;

14.        

以上内容为相关的出入端声明以及常量。其中多了24位宽的oAddr与2位宽的oTag。

15.         reg [1:0]C7;

16.         reg [1:0]isDo;

17.         

18.         always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET ) // sub

19.             if( !RESET )

20.                  begin

21.                         C7 <= 2'b10;

22.                         isDo <= 2'b00;

23.                    end

24.              else

25.                  begin

26.                    

27.                        if( iCall[1] & C7[1] ) isDo[1] <= 1'b1;

28.                        else if( iCall[0] & C7[0] ) isDo[0] <= 1'b1;

29.                         

30.                        if( isDo[1] & isDone[1] ) isDo[1] <= 1'b0;

31.                        else if( isDo[0] & isDone[0] ) isDo[0] <= 1'b0;

32.                    

33.                        if( isDone ) C7 <= {isDo[0],isDo[1]};

34.                        else if( iCall ) C7 <= { C7[0], C7[1] };

35.                    

36.                    end

37.        

以上内容为轮流协调的周边操作。具体内容与实验十七一样。

38.        reg [3:0]i;

39.        reg [10:0]C1;

40.        reg [3:0]isCall; //[3]Write [2]Read [1]A.Refresh [0]Initial

41.        reg [1:0]isDone;

42.        reg [23:0]D1;

43.        reg [24:0]C2,C3;  // N + 1

44.        

45.        always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET ) // core

46.            if( !RESET )

47.                 begin

48.                         i <= INITIAL;          // Initial SDRam at first 

49.                         C1 <= 11'd0;

50.                        isCall <= 4'b0000;

51.                        isDone <= 2'b00;

52.                        D1 <= 24'd0;

53.                        C2 <= 25'd0;

54.                        C3 <= 25'd0;

55.                  end

以上内容为相关的寄存器声明与复位操作。其中C2是写指针，C3是读指针，位宽为oAddr + 1。D用来驱动oAddr。

56.             else 

57.                 case( i )

58.                  

59.                        0: // IDLE

60.                        if( C1 >= TREF ) begin C1 <= 11'd0;  i <= REFRESH; end

61.                        else if( isDo[1] ) begin C1 <= C1 + 1'b1; i <= WRITE; end 

62.                        else if( isDo[0] ) begin C1 <= C1 + 1'b1; i <= READ; end 

63.                         else begin C1 <= C1 + 1'b1; end

64.    

65.                        /***********************/

66.                        

以上内容为部分核心内容。步骤0是待机状态，其中61~62行改为 isDo[1] 与 isDo[2]。

67.                        1: //Write 

68.                        if( iDone ) begin isCall[3] <= 1'b0; C1 <= C1 + 1'b1; i <= i + 1'b1; end

69.                        else begin isCall[3] <= 1'b1; D1 <= C2[23:0]; C1 <= C1 + 1'b1; end

70.                        

71.                        2:

72.                        begin C2 <= C2 + 1'b1; isDone[1] <= 1'b1; C1 <= C1 + 1'b1; i <= i + 1'b1; end

73.                        

74.                        3:

75.                        begin isDone[1] <= 1'b0; C1 <= C1 + 1'b1; i <= 4'd0; end

76.                        

77.                        /***********************/

78.                        

以上内容为部分核心内容。步骤1~3是写操作，步骤1将C2[23:0]的内容赋值D。步骤2~3产生完成信号之余也递增C2.

79.                        4: // Read

80.                        if( iDone ) begin isCall[2] <= 1'b0; C1 <= C1 + 1'b1; i <= i + 1'b1; end

81.                        else begin isCall[2] <= 1'b1; D1 <= C3[23:0]; C1 <= C1 + 1'b1; end

82.                        

83.                        5:

84.                        begin C3 <= C3 + 1'b1; isDone[0] <= 1'b1; C1 <= C1 + 1'b1; i <= i + 1'b1; end

85.                        

86.                        6:

87.                        begin isDone[0] <= 1'b0; C1 <= C1 + 1'b1; i <= 4'd0; end

88.                        

89.                        /***********************/

90.                        

以上内容为部分核心内容。步骤4~6是写操作，步骤4将C3[23:0]的内容赋值D。步骤5~7产生完成信号之余也递增C3.

91.                        7: // Auto Refresh 

92.                        if( iDone ) begin isCall[1] <= 1'b0; i <= 4'd0; end

93.                        else begin isCall[1] <= 1'b1; end

94.                        

95.                        /***********************/

96.                        

97.                        8: // Initial 

98.                        if( iDone ) begin isCall[0] <= 1'b0; i <= 4'd0; end

99.                        else begin isCall[0] <= 1'b1; end

100.                        

101.                  endcase

102.        

以上内容为部分核心内容。步骤7~8保持不变。

103.        assign oDone = isDone;

104.        assign oCall = isCall;

105.        assign oAddr = D1;

106.        assign oTag[1] = ( C2[24]^C3[24] & C2[23:0] == C3[23:0] ); 

107.         assign oTag[0] = ( C2 == C3 ); 

108.        

109.    endmodule

以上内容为相关的输出驱动。D1驱动oAddr，第106~107行是写满状态与读空状态的声明。

sdram_funcmod.v

该功能模块与实验十八的内容一模一样。

sdram_demo.v

该组合模块的连线部署完全参照图22.1。

1.    module sdram_basemod

2.    (

3.         input CLOCK,

4.         input RESET,

5.         

6.         output S_CKE, S_NCS, S_NRAS, S_NCAS, S_NWE,

7.         output [1:0]S_BA,

8.         output [12:0]S_A, 

9.         output [1:0]S_DQM,

10.         inout [15:0]S_DQ,

11.         

12.         input [1:0]iCall,

13.         output [1:0]oDone,

14.         output [1:0]oTag,

15.         input [15:0]iData,

16.         output [15:0]oData

17.    ); 

18.         wire [3:0]CallU1; // [3]Refresh, [2]Read, [1]Write, [0]Initial

19.         wire [23:0]AddrU2;

20.         

21.        sdram_ctrlmod U1

22.         (

23.              .CLOCK( CLOCK ),

24.              .RESET( RESET ),

25.              .iCall( iCall ),       // < top ,[1]Write [0]Read

26.              .oDone( oDone ),     // > top ,[1]Write [0]Read

27.              .oAddr( AddrU2 ),    // > U2

28.              .oTag( oTag ),        // > top

29.              .oCall( CallU1 ),      // > U2 

30.              .iDone( DoneU2 )           // < U2

31.         );

32.         

33.         wire DoneU2;

34.         

35.         sdram_funcmod U2

36.         (

37.              .CLOCK( CLOCK ),

38.              .RESET( RESET ),

39.              .S_CKE( S_CKE ),           // > top

40.              .S_NCS( S_NCS ),           // > top

41.              .S_NRAS( S_NRAS ),         // > top

42.              .S_NCAS( S_NCAS ),         // > top

43.              .S_NWE( S_NWE ),         // > top

44.              .S_BA( S_BA ),           // > top

45.              .S_A( S_A ),             // > top

46.              .S_DQM( S_DQM ),         // > top

47.              .S_DQ( S_DQ ),           // <> top        

48.              .iCall( CallU1 ),            // < U1

49.              .oDone( DoneU2 ),          // > U1

50.              .iAddr( AddrU2 ),          // < U1

51.              .iData( iData ),               // < top

52.              .oData( oData )           // > top

53.         );

54.         

55.    endmodule

连线内容请自己看着办吧。

sdram_demo.v

图22.3 实验二十二的建模图。

图22.3是实验二十二的建模图，左边的周边操作负责写入数据，右边的核心操作负责读取数据并且经由TXD发送出去。具体内容我们还是来看代码吧。

1.    module sdram_demo

2.    (

3.        input CLOCK,

4.        input RESET,

5.        output S_CLK,

6.        output S_CKE, S_NCS, S_NRAS, S_NCAS, S_NWE,

7.        output [12:0]S_A, 

8.        output [1:0]S_BA,

9.        output [1:0]S_DQM,

10.        inout [15:0]S_DQ,

11.        output TXD

12.    ); 

以上内容为相关的出入端声明。

13.         wire CLOCK1,CLOCK2;

14.         

15.         pll_module U1

16.         (

17.                 .inclk0 ( CLOCK ), // 50Mhz

18.                .c0 ( CLOCK1 ),  // 133Mhz -210 degree phase

19.                .c1 ( CLOCK2 )   // 133Mhz 

20.         );

21.         

以上内容为PLL模块的实例化。

22.         wire [1:0]DoneU2;

23.         wire [15:0]DataU2;

24.         wire [1:0]TagU2;

25.         

26.         sdram_basemod U2

27.         (

28.             .CLOCK( CLOCK1 ),

29.             .RESET( RESET ),

30.              .S_CKE( S_CKE ),

31.              .S_NCS( S_NCS ),

32.              .S_NRAS( S_NRAS ),

33.              .S_NCAS( S_NCAS ),

34.              .S_NWE( S_NWE ),

35.              .S_A( S_A ),

36.              .S_BA( S_BA ),

37.              .S_DQM( S_DQM ),

38.              .S_DQ( S_DQ ),

39.              .iCall( {isWR,isRD} ),

40.              .oDone( DoneU2 ),

41.              .iData( D2 ),

42.              .oData( DataU2 ),

43.              .oTag( TagU2 )

44.         );

以上内容为SDRAM基础模块的实例化，注意第39行的iCall是由 isWR与isRD联合驱动。此外，第43行也多了oTag。

46.         reg [5:0]i;

47.         reg [15:0]D2;

48.         reg isWR;

49.         

50.         always @ ( posedge CLOCK1 or negedge RESET )

51.             if( !RESET )

52.                 begin

53.                           i <= 6'd0;

54.                          D2 <= 16'hA000;

55.                          isWR <= 1'b0;

56.                 end

57.             else 

58.                 case( i )

59.                 

60.                          0:

61.                         if( !TagU2[1] ) i <= i + 1'b1;

62.                        

63.                         1:

64.                         if( DoneU2[1] ) begin isWR <= 1'b0; i <= i + 1'b1; end

65.                         else begin isWR <= 1'b1; end

66.                         

67.                         2:

68.                         if( D2 == 16'hA1FF ) i <= i + 1'b1;

69.                         else begin D2[11:0] <= D2[11:0] +  1'b1; i <= 6'd0; end

70.                         

71.                         3:

72.                         i <= i;

73.                    

74.                endcase

75.                

以上内容为写作用的周边操作。步骤0检测是否写满，步骤1写入数据，步骤2判断是否写满512次，不是的话就递增内容。步骤3是写完发呆。

76.         reg [5:0]j,Go;

77.         reg [10:0]C1;

78.         reg [15:0]D3;

79.         reg [10:0]T;

80.         reg isRD;

81.         reg rTXD;    

82.         

83.         parameter B115K2 = 11'd1157, TXFUNC = 6'd16;

84.                

85.        always @ ( posedge CLOCK1 or negedge RESET )

86.             if( !RESET )

87.                 begin

88.                     j <= 6'd0;

89.                          Go <= 6'd0;

90.                          C1 <= 11'd0;

91.                          D3 <= 16'd0;

92.                          T <= 11'd0;

93.                          isRD <= 1'b0;

94.                          rTXD <= 1'b1;

95.                 end

96.             else 

97.                 case( j )

98.                 

99.                         0:

100.                         if( !TagU2[0] ) j <= j + 1'b1;

101.                         

102.                         1:

103.                         if( DoneU2[0] ) begin D3 <= DataU2; isRD <= 1'b0; j <= j + 1'b1; end

104.                         else begin isRD <= 1'b1; end

105.                         

106.                         2:

107.                         begin T <= { 2'b11, D3[15:8], 1'b0 }; j <= TXFUNC; Go <= j + 1'b1; end

108.                         

109.                         3:

110.                         begin T <= { 2'b11, D3[7:0], 1'b0 }; j <= TXFUNC; Go <= j + 1'b1; end

111.                         

112.                         4:

113.                         if( D3 == 16'hA1FF ) j <= j + 1'b1; 

114.                         else j <= 6'd0;

115.                         

116.                        5:

117.                         j <= j;

118.                         

119.                        /******************************/

120.        

以上内容为部分核心操作。步骤0检测是否读空，步骤1读出数据，步骤2~3将数据发送数据，步骤4判断是否执行512次？如果不是的话就返回步骤0，是的话就递增i进入发呆的步骤5。

121.                          16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26:

122.                         if( C1 == B115K2 -1 ) begin C1 <= 11'd0; j <= j + 1'b1; end

123.                         else begin rTXD <= T[j - 16]; C1 <= C1 + 1'b1; end

124.                         

125.                         27:

126.                         j <= Go;

127.                         

128.                endcase

129.    

130.         assign S_CLK = CLOCK2;

131.         assign TXD = rTXD;

132.    

133.    endmodule

以上内容为核心操作以及输出驱动·。综合完毕便下载程序，如果串口调试软件出现 A000~A1FF，表示实验成功。

细节一：完整的个体模块

本实验的SDRAM基础模块已经准备就绪。

细节二：小谈储存类

FIFO机制的SDRAM很可能实用性不强。相对低级建模II而言，SDRAM已经脱离死板的印象，任何畸形的储存方式，都有可能实现在任何储存资源之上。举例而言，片上内存储存资源可以实现FIFO功能，IIC储存资源也可以实现FIFO功能，SDRAM储存资源也可以实现FIFO功能。

如果按照这条思路逆向思考的话，如果SDRAM储存资源可以实现功能C，那么IIC储存资源还有片上内存储存资源同样也可以实现功能C。如此一来，建模的自由度会大大增高，喜爱建模的孩子也会开心至极。如果读者是变态，那么一块小小的SDRAM储存资源实现多功能读写如：单字读写，多字读写，页读写，甚至FIFO读写，集于一身是有可能的。不管怎么样，实验二十二所要表达的信息已经非常清晰，即储存类的伸缩性与可塑性。