【原创】基于FPGA的SDRAM控制器设计—自动刷新设计

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作者：小周

SDRAM控制器设计的主要功能是能对SDRAM进行读写操作，本工程实现了SDRAM的初始化和自动刷新两个功能。

初始化功能在前一章的分享中已经进行了比较详细的描述，感兴趣的同学可以搜索学习下，文后历史文章里有链接。今天我们主要讨论SDRAM的自动刷新的功能以及实现。

一、原理功能

1、为什么刷新

我们都知道SDRAM是使用电容保存信息的，随着使用时间的增长，电容的电量会有损失，因此在操作SDRAM时要进行刷新。SDRAM的刷新分为两种，分别是Auto Refresh和Self Refresh。本次实验采用的是Auto Refresh。

2、刷新间隔

查询器件手册得到（64ms, 8192-cycle (commercial and industrial)），对8192行全部进行一次刷新时间是64ms。一次刷新操作是对4个bank的同一行进行刷新，所以一次刷新间隔是64ms/8192=7.813us。但是当刷新时间到来时，SDRAM可能正在进行读写，那么需要本次读突发或者写突发完成之后才能进行刷新操作；那么一次读突发为7拍，写突发为6拍，时间是60ns或者70ns （SDRAM工作时钟是100MHz，1拍是10ns），同时考虑到读写命令都是仲裁模块发出，会有一定的延时，所以本次实验刷新间隔设为7.5us，留出足够的时间。

3、刷新时序

刷新时序如上图所示。这里需要注意，此时序图发了两次Auto Refresh命令，这种被称为背靠背技术；但其实背靠背技术并不是必须的，可以只发一次命令。

二、FPGA实现

1、模块架构

2、信号说明

3、顶层模块参考代码

module sdram_top(
clk    ,
sys_rst_n  ,
//其它信号,举例dout
local_addr,
local_data,
local_q,
local_rdreq,
local_wrreq,
local_reday,
local_rdata_vaild,
init_done,
sdr_cke,
sdr_cs_n,
sdr_ras_n,
sdr_cas_n,
sdr_we_n,
sdr_ba,
sdr_a,
sdr_dq,
sdr_dqm,
sdr_clk
);
input clk;
input sys_rst_n;
input [24:0] local_addr;
input [63:0] local_data;
output [63:0] local_q;
input local_rdreq;
input local_wrreq;
output local_reday;
output local_rdata_vaild;
output init_done;
output sdr_cke;
output sdr_cs_n;
output sdr_ras_n;
output sdr_cas_n;
output sdr_we_n;
output [1:0] sdr_ba;
output [12:0] sdr_a;
output [15:0] sdr_dq;
output [1:0] sdr_dqm;
output sdr_clk;
wire phy_clk;
wire rst_n;
wire rt_flag;
wire rt_clear;
wire rt_en;
wire ref_en;
wire ref_done;
wire sel_sm;
wire [19:0] sdr_bus;
wire [19:0] init_bus;
wire [19:0] ref_bus;
assign {sdr_cke, sdr_cs_n, sdr_ras_n, sdr_cas_n, sdr_we_n, sdr_ba, sdr_a} = sdr_bus;
assign sdr_dqm = 2'b00;
sdram_init sdram_init_inst(
.clk            (phy_clk)       ,
.rst_n          (rst_n)       ,
//其它信号,举例dout
.init_done      (init_done)       ,
.init_bus       (init_bus)
);
arbitrate arbitrate_inst(
.clk(phy_clk),
.rst_n(rst_n),
.rt_en(rt_en),
.rt_flag(rt_flag),
.init_done(init_done),
.ref_done(ref_done),
.ref_en(ref_en),
.sel_sm(sel_sm),
.rt_clear(rt_clear)
);
ref_timer ref_timer_inst(
.clk(phy_clk),
.rst_n(rst_n),
.rt_en(rt_en),
.rt_clear(rt_clear),
.rt_flag(rt_flag)
);
sdram_ref sdram_ref_inst(
.clk(phy_clk),
.rst_n(rst_n),
.ref_en(ref_en),
.ref_done(ref_done),
.ref_bus(ref_bus)
);
sdram_mux sdram_mux_inst(
.clk(phy_clk),
.rst_n(rst_n),
.init_bus(init_bus),
.ref_bus(ref_bus),
.sdr_bus(sdr_bus),
.sel_sm(sel_sm)
);
my_pll PLL(
.areset	(~sys_rst_n)	,
.inclk0	(clk)	,
.c0	(phy_clk)	,
.c1	(sdr_clk)	,
.locked	(rst_n)
);

endmodule

4、模块功能

（1）PLL模块

my_pll模块产生SDRAM和控制器工作时钟。
输入的50M时钟，经过PLL模块后，会产生两个100M、相位相差180度的时钟。其中一个用于输出给外部SDRAM，另一个用于其它模块的工作时钟。关于此模块的原理，可以参考《基于FPGA的SDRAM控制器设计—初始化设计》中的“SDRAM中心对齐原则”部分进行学习。
另外，本模块锁定输入时钟后，将产生LOCK指示信号，此信号用于其它模块的复位信号。我们可以理解为，在时钟稳定之前，其它模块都处于复位状态。

（2）仲裁模块

arbitrate即仲裁模块，因为SDRAM控制时可能进行刷新或者读写操作（后续介绍），但是刷新时不能进行读写操作，因此需要一个仲裁模块，对这些控制命令进行管理，使刷新命令优先级最高。

当初始化完成之后仲裁模块发出rt_en信号，当仲裁模块收刷新定时器计时到最大值时的标志信号rt_flag后，发出刷新使能信号ref_en，并发出rt_clear信号。

其代码如下所示：

module arbitrate(clk, rst_n, rt_en, rt_flag, init_done, ref_done, ref_en, sel_sm, rt_clear);

input clk;
input rst_n;
input rt_flag;
input init_done;
input ref_done;
output reg rt_en;
output reg ref_en;
output reg sel_sm;
output reg rt_clear;
localparam SM_INIT = 1'b0;
localparam SM_REF  = 1'b1;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
rt_en <= 1'b0;
end
else if(init_done)begin
rt_en <= 1'b1;
end
else begin
rt_en <= rt_en;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
ref_en <= 1'b0;
end
else if(rt_flag)begin
ref_en <= 1'b1;
end
else if(ref_done)begin
ref_en <= 1'b0;
end
else begin
ref_en <= ref_en;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
sel_sm <= SM_INIT;
end
else if(init_done)begin
sel_sm <= SM_REF;
end
else begin
sel_sm <= sel_sm;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
rt_clear <= 1'b0;
end
else if(rt_flag)begin
rt_clear <= 1'b1;
end
else begin
rt_clear <= 1'b0;
end
end
endmodule

（3）刷新定时器模块

ref_timer即刷新定时器模块，主要是计数刷新间隔时间，当计数到最大值时拉高rt_flag信号。当收到rt_clear信号时将rt_flag信号拉低。

代码如下所示：

module ref_timer(clk, rst_n, rt_en, rt_clear, rt_flag);

input clk;
input rst_n;
input rt_en;
input rt_clear;
output reg rt_flag;
parameter CNT_MAX = 750;
reg [9:0] cnt;
wire add_cnt;
wire end_cnt;

always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
cnt <= 0;
end
else if(add_cnt)begin
if(end_cnt)
cnt <= 0;
else
cnt <= cnt + 1;
end
end

assign add_cnt = rt_en;
assign end_cnt = add_cnt && cnt==CNT_MAX - 1 ;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if (!rst_n)
rt_flag <= 0;
else if (add_cnt && cnt == CNT_MAX - 1)
rt_flag <= 1;
else if (rt_clear)
rt_flag <= 0;
else
rt_flag <= rt_flag;
end
endmodule

（4）初始化模块

sdr_init初始化模块，在《基于FPGA的SDRAM控制器设计—初始化设计》中我们有比较详细的介绍，可以认真学习一下。

（5）刷新模块

sdr_ref刷新模块，收到刷新使能信号后进行刷新操作，在前文中“刷新时序”一节有讲述原因。本代码通过一个计数器cnt对时序进行计数，并产生了两个刷新命令；刷新完成后，让ref_done信号置1个时钟的高电平，表示刷新完成。

代码如下：

module sdram_ref(clk, rst_n, ref_en, ref_done, ref_bus);

input clk;
input rst_n;
input ref_en;
output reg ref_done;
output [19:0] ref_bus;
parameter CNT_MAX = 9;
// parameter TRP = 2;
// parameter TRFC = 7;
parameter NOP = 4'b0111;
parameter PRE = 4'b0010;
parameter REF = 4'b0001;
reg [3:0] cnt;
reg [3:0] sdr_cmd;
reg [1:0] sdr_ba;
reg [12:0] sdr_a;
wire add_cnt;
wire end_cnt;
assign sdr_cke = 1'b1;
assign ref_bus = {sdr_cke, sdr_cmd, sdr_ba, sdr_a};
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
cnt <= 0;
end
else if(add_cnt)begin
if(end_cnt)
cnt <= 0;
else
cnt <= cnt + 1;
end
end

assign add_cnt = ref_en;
assign end_cnt = add_cnt && cnt==CNT_MAX - 1 ;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
sdr_cmd <= NOP;
end
else if(ref_en && add_cnt && cnt == 0)begin
sdr_cmd <= PRE;
end
else if(add_cnt && cnt == 2 - 1)begin
sdr_cmd <= REF;
end
else begin
sdr_cmd <= NOP;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
sdr_a <= 13'd0;
end
else if(ref_en && add_cnt && cnt == 0)begin
sdr_a[10] <= 1'b1;
end
else begin
sdr_a <= 13'd0;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
ref_done <= 1'b0;
end
else if(add_cnt && cnt == CNT_MAX - 1)begin
ref_done <= 1'b1;
end
else begin
ref_done <= 1'b0;
end
end
endmodule

6、选择模块

sdr_mux模块，由于初始化模块和刷新模块都会发出SDRAM的信号，所以需要一个多路器来进行选择。由仲裁模块的sel_sm来控制输出init_bus信号还是ref_bus；当初始化没完成时输出init_bus，初始化完成时输出ref_bus。

代码如下所示：

module sdram_mux(clk, rst_n, init_bus, ref_bus, sdr_bus, sel_sm);

input clk;
input rst_n;
input [19:0] init_bus;
input [19:0] ref_bus;
output reg [19:0] sdr_bus;
input sel_sm;
localparam SM_INIT = 1'b0;
localparam SM_REF  = 1'b1;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
sdr_bus <= init_bus;
end
else if(sel_sm == SM_INIT)begin
sdr_bus <= init_bus;
end
else if(sel_sm == SM_REF)begin
sdr_bus <= ref_bus;
end
else begin
sdr_bus <= sdr_bus;
end
end

endmodule

三、仿真测试

最后对代码进行仿真，仿真文件参考：sdram_top_tb.v。
modelsim生成的报告如下所示，出现如下LOG信息，说明成功。

以上就是SDRAM控制器的完整设计，明德扬专注FPGA设计研究，更多FPGA资料可以进入论坛进行学习交流。