FPGA实现的SDRAM驱动

SDRAM的时序分析以及仿真和实测。

一、SDRAM 简介

SDRAM 同步动态随机存储器（Synchronous Dynamic Random Access Memory）。SDRAM 的时钟频率能达到100MHz以上，主要用于程序的运行空间、大数据存储等；Memory工作需要同步时钟，又由于信息存放在电容上，所以需要不断地刷新来维持当前保存的数据。SDRAM 通常有多个逻辑BANK（L-BANK）构成，每个BANK排列有多个存储单元，通过BANK地址以及行、列地址来确定一个存储单元。在这个设计中用到的是海力士（hynix）的一款SDRAM（H57V2562GTR）容量为4BANK*4M*16bit，行地址13位，列地址9位（行列地址复用），一个BANK：2^13行*2^9列=8192*512=4194304。

二、SDRAM时序

1、SDRAM初始化

在使用SDRAM之前要对其进行初始化，初始化时序如下图。

图1 初始化时序图

从图中可以看到，在初始化的过程中需要用到一些命令和地址总线（地址总线是复用的，A[12:0]是ROW ADDR，A[8:0]是COL ADDR，也就是有13位的行地址，9位的列地址，在读写数据的时候先发送行地址，再发送列地址）。上图中所有的COMMAND或者地址等，都应该保证在时钟的上升沿时有效，且要保证信号的建立时间（tCMS）和保持时间（tCMH），图中所有的时间长度在芯片的datasheet中都能找到，可参考美光SDRAM（MT48LC16M16A2）查找。初始化时COMMAND通过SDRAM的CKEn、CS_n、RAS_n、CAS_n、WE_n、以及BANK[1:0]、ADDR等引脚发送到SDRAM，具体真值表可见图2。

图2 命令真值表

图1中，系统上电后，首先应该等待一个power-up的时间，这个时间最小是100us，这段时间不需要COMMAND，但在power-up后有一个NOP命令（这里个人觉得可以直接将power-up时间内的COMMAND全设为NOP）；然后进入一个预充电时间，这时要发送一个PRECHARGE命令，同时如果对所有BANK预充电那么地址线A10要拉高，对单个BANK预充电那么地址线A10要拉低，PRECHARGE之后要等待一个tRP时间，tRP时间内COMMAND不重要；再然后就是紧接着的两次自动刷新命令，每一次AUTO REFRESH命令都要等待一个tRFC的时间，而且在等待时间内的COMMAND为NOP命令；初始化的最后一步就是加载模式寄存器，在LOAD MODE REGISTER命令后同样要等待一个tMRD时间，tMRD时间内的COMMAND为NOP命令，模式寄存器的值可以在图3找到。

图3 模式寄存器

 其中A[9]位可配置SDRAM写的模式，为0表示突发读和突发写，为1表示突发读和单个写；A[6:4]位是CAS Latency，表示在读数据的时候，数据在发送COL ADDR之后的多少个时钟数据输出，具体时序在后面图4中可见；A[3]表示选择读写的类型是交错读写还是连续读写（在此设计中设置为0，连续读写）；A[2:0]设置突发的模式，可以选择突发读写1/2/4/8个内存单元，在连续读写类型时可以选择整页读写（也就是一行512*16bit）。

 2、读写时序

在读写过程中可以将SDRAM设置为多种方式，下面是在自动预充电下的读写时序。

Read with auto precharge：

图4 自动预充电读时序

 在SDRAM的初始化之后就可以进行读和写的操作了，在读的时候，要先发送一个ACTIVE命令，与此同时发送行地址和BANK地址，然后等待一个tRCD时间（ROW ADDR 到 COL ADDR 延时）；ACTIVE后才是发送READ命令，同时发送列地址、BANK地址并拉高A[10]位使能自动预充电（A[10]是自动预充电的一个标志位），然后就是等待之前MODE REGISTER中的CAS Latency(CL)这么长的时间后，读的数据就有效了；在读出数据的最后其实也同样有一个tRP的时间，由于在前面是能了自动预充电，所以这里就不需要再发送自动预充电的命令了（这里可以对比 read without auto precharge的时序图）；在读完一次之后就可以开启下一次的读或者写了。       注：PRECHARGE命令表示结束当前行，准备开启下一行的操作。

Write with auto precharge与读操作有所不同，大致差不多，具体时序如图5。

图5 自动预充电写时序

3、刷新

SDRAM的工作方式要求在一定时间内对存储的数据进行刷新，不然保存的数据会丢失。电容最大保存时间是64ms，也就是最多每隔64ms就要对所有存储单元进行一次刷新，每一次刷新操作可以刷新所有BANK的同一行，H57V2562GTR一个BANK8192行，也就是要在64ms内刷新完8192行，64ms/8192=7.813us，所以刷新一行的时间应该小于7.813us，这里我设置的是7us。每隔7us就要生成一次刷新请求，发送一个AUTO REFRESH的命令，在刷新过程中，不能进行的读写操作。

三、仿真和实测

个人根据SDRAM控制时序写的一个驱动程序，实测能进行数据读写，肯定有不完整的地方，有需要的可以在https://download.csdn.net/my下载（与下面LED显示功能无关），里面包括QUARTUS工程（verilog）。

图5 仿真时序图

仿真时序可能看的不太清楚，细节还需要在实际仿真文件中查看。实测的文件是将“5”写入 sdram，然后在读出来通过LED显示，如图6所示，Signal Tap时序采样如图7所示。

图6

图7

 

图6中左起第三个LED表示显示数据低三位，LED上拉，“0”亮，“1”熄灭，此时显示的是“101”，也就是数据“5”。 程序设计肯定有不足的地方，仅供参考。

备注：

1、不使能自动预充电的情况下，Precharge命令同Burst Stop命令一样，在Burst Read过程中有停止读数据过程的作用，在Precharge/Burst Stop命令后的CAS Latency个时钟停止读过程；而Burst  Write过程在Precharge/Burst Stop命令时立即停止写过程。另外在使能自动预充电的情况下，海力士的资料上说不能通过Precharge/Burst Stop命令来停止读、写过程，如下图，这点我也没能弄明白。

2、Burst Read和Burst  Write过程只要不停止（Precharge/Burst Stop），它会循环进行读/写。（整页突发模式时，其他情况还未验证过）。

3、注意在AUTO Refresh命令后的等到时间TAR，发送的命令是NOP命令。