实验2 建立带SDRAM的NIOS II系统

最近一个星期，用EP1S20这个FPGA嵌入NIOS2，研究了一下FLASH和SDRAM的驱动，最后终于是好用了，但中间遇到了不少曲折，现在就把我的一些经验分享给大家，希望大家以后在这方面不要走弯路。

  首先，先提一个名词－－SOPC.任何一本关于FPGA嵌入式的书籍都会有的一个名词，翻译过来是“片上可编程系统”。也就是说我们在用FPGA作嵌入式 的时候其实相当于自己根据自己的需要作一个处理器，这个处理器的内核就是NIOS2处理器，而外围可以根据自己的需要添加我们需要的任何外设，包括定时 器，UART,IO,SPI接口等等。这些都是我们在用单片机和ARM时经常接触和使用的东西，所以以前用单片机和ARM的时候在使用SOPC的时候会觉 得非常的熟悉。它的灵活性在于可以根据我们的需要任意搭配一个最节省的CPU，而且使用AVALON总线连接你的外设，不需要自己去搭建结构，但缺点在于 它是一种软核，是用语言实现的一种硬件算法，所以比较占资源。具体的细节大家可以上网上去搜索。

  搭建好了这个SOPC之后就可以用NIOS来实现我们想要的功能了。下面转入正题，用NIOS内部的SDRAM控制器，在SOPC里添加了这个项目之后， 我们就可以狠方便的实现SDRAM的驱动了。因为控制器已经为你引出了SDRAM需要的连线，我们所作的工作只是需要把这些线连起来就可以了，下面简单的 介绍一下这些引脚的功能。

  CLK--时钟输入
  CKE--内部刷新时钟控制端
  CS--片选
  BA1,0--BANK的选择
  A0--A11--地址线，包括行地址与列地址
  RAS--行地址选通
  CAS--列地址选通
  WE--写使能
  LDQM,UDQM--字节与字控制端
  DQ0--DQ15--数据端

  看了这些控制线，大家应该感到狠痛苦了，确实SDRAM的控制确实狠复杂。但是NIOS里的控制器帮我们解决了这些问题，当我们正确的连好了这些线之后，我们就不需要去管它了，NIOS会帮我们处理好这些时序，也就是说我们要作的工作是：1 在SOPC里设计一个根我们用的SDRAM时序一样的控制器，这需要参考SDRAM的资料。2 正确地连接好NIOS与外部SDRAM的连线。3 也是最麻烦的一点，CLK的时序问题。下面着重介绍一下CLK的时序设置。

  我们先看一下原理，FPGA里的NIOS2需要一个时钟，SDRAM需要一个时钟，那这两个时钟之间是什么关系呢？答案是很复杂。首先来讲这两个时钟都是 PLL的输出，PLL里根据不同的FPGA有不同的选项，一般来讲，PLL的输出有C1,C0,E1,E0........,C就是说PLL经过内部的复 杂逻辑的输出，所以它根原始的时钟输入之间是相位差的，E就是说直接时钟输出，它的相位差几乎位0，但是它需要特定的引脚。我们在设计的时候最好用E端作 SDRAM的时钟输入，具体的原因看后面的解释。

  SDRAM的特殊性决定了它的驱动的复杂性，想要完全明白它的所有时序的意义需要很长的时间积累，但是应用的话不需要那么多，所以下面简单介绍一下最关键的几个。

  1 tsu--输入建立时间，SDRAM里的参数
  2 ton--输出保持时间，SDRAM里的参数
  3 tinsu--FPGA从引脚输入到内部逻辑的建立时间
  4 toutco--FPGA内部逻辑到输出的建立时间

  这是我们计算SDRAM的CLK所需要的几个最关键的参数，tsu意义是说当NIOS的地址线和数据线到达SDRAM时，需要保持这么长的时间，toh是 说SDRAM在读取的时候，需要这么长的时间才能把输出值输出到总线上，设CLK为时钟信号，CLK1为SDRAM的时钟，CLK2为FPGA外部引脚的 时钟，可以看出来，CLK2-CLK=toutco,关于CLK2与CLK1我们可以仿真得到他们之间的相差，所以我们要做到的是，1  CLK2-CLK1=tsu  2 CLK1-CLK2=(tinsu+ton)  (以上的计算是相差的计算)，相差是正的话说明被减数在减数之后。 所以通过上边的公式可以确定CLK1的范围，所以在PLL里设置一下就可以让我们的SDRAM满足系统的要求了。关于为什么要用E0来作SDRAM的时钟 的问题，首先我们每次编译的结果的时序都不一样，虽然变化部大，但在高频的时候部可忽视，而E0的相位与编译无关，其次，它的抖动比C端要小。现在我的系 统跑在75M上，还可以，但感觉这种方法在高频中会有潜在的问题，以后我会进行相应的测试，然后告诉大家结果。
  上边算是对SDRAM的一个小结。

  下面对FLASH作一下解释，跟SDRAM一样，FLASH只需要连好相应线就可以。但在实际的应用中有一个小问题，就是说假如FLASH的总线是22位 的，既21..0,NIOS会给你22..0,所以我们在连接的时候需要错一位，也就是说NIOS的1接FLASH的0，依次类推下去。但有的时候我们需 要SDRAM和FLASH公用总线，这就存在一个问题，FLASH需要从1开始接，而ADRAM是从0开始，所以设计公用总线的时候，原理图上SDRAM 的A1要接FLASH的A0，这点一定要注意，但发现ALTERA部推荐这么去设计，因为SDRAM需要自己的一套时序，共用的话会大大降低SDRAM的 性能，在实际中也发现了这点，所以在资源部紧张的情况下还是部要复用。还有NIOS对AMD的FLASH支持的很好，其他的象SST的FLASH ,对以前的200，400，800系列支持的好，但之后的160，320，640就支持部好了，所以用NIOS的时候最好用AMD的FLASH.

  以上算是这几天的一点小收获，分享给大家，希望对大家有帮助，之后我会对UART,SPI。。。。。其他的一些外设作测试，然后更加具体的了解一下NIOS的编程风格与规范，整理好会跟大家分享。

SDRAM使用注意事项：
1．    首先要在sopc里加入sdram控制器，根据器件手册设置好数据宽度，行列地址宽度等；
2．    加入PLL移相。因为SDRAM为动态的存储器，对时序要求比较高.因为有延迟，所以加入PLL来调整相位，一般的经典值为-63deg，要是不行，可以 每5度增加或者减少；用cylone器件时，最好用e0输出SDRAM的时钟，同时用专用的时钟输出引脚输出；cycloneⅡ用c2；
3．    数据线设置成双向，同时因为管脚比较多，务必要保证管脚锁定正确；

附SDRAM测试程序：
#include "system.h"
#include "altera_avalon_pio_regs.h"
#include "alt_types.h"
int main (void) __attribute__ ((weak, alias ("alt_main")));
int alt_main (void)
{unsigned char sdrw_d[60],sdrr_d[60],i;
  for(i=0;i<50;i++)
    {
      sdrw_d = 0x0;
    }
    for(i=0;i<50;i++)
    {
      sdrw_d = i;
      IOWR(SDRAM_BASE, i, sdrw_d);
    }
    for(i=0;i<50;i++)
    {
      sdrr_d = 0x0;
    }
    for(i=0;i<50;i++)
    {
      sdrr_d = IORD(SDRAM_BASE, i);
      if(sdrr_d != sdrw_d)
        while(1){IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LED_PIO_BASE, 0xff);};
    }
}
    在sopc里加入SDRAM控制器，命名为SDRAM，让程序在片上RAM执行，
本例中，当读写的数据不一致时，输出信号来点亮LED，也可以根据实际情况另做判断。比如在循环那里加断点，总之，是要判断程序是否进入死循环，从而判断读写数据是否一致。