SDRAM - 一个简单的存储控制器

我们的SDRAM控制器具有以下特点：

• 易于使用：使SDRAM看起来像一个静态存储器（或尽可能地接近）。
• 快速：如果您提供连续地址，则在突发模式下使用SDRAM。
• 简单：没有排程，一次只有一家银行处于活跃状态。
• 功能强大：SDRAM显示为一个简单的双端口存储器（即只有一个写入代理和一个读取代理）。

控制器最罕见的功能可能是最后一个。SDRAM是单端口存储器，但FPGA可以通过访问双端口存储器（如blockrams）获益匪浅，因此我们认为这是一个很好的功能。

控制器信号

这是我们的SDRAM控制器的简单视图。

写入代理使用左侧的前三个信号（“写入请求”，后面跟着“写入地址”和“写入数据”）。然后低于阅读代理的三个信号。在右侧，控制器驱动SDRAM信号。为了说明问题，下面是使用我们的SDRAM控制器的典型FPGA系统的视图。

现在我们的控制器使SDRAM显示为双端口存储器。但是SDRAM实际上是一个单端口内存，所以我们的控制器必须发挥作用。如果我们的控制器同时获得两个请求，它不得不停止一个代理，或记录他们的请求并在稍后执行。我们的控制者选择第一种策略。所以我们添加了“授权”信号：代理可以在任何时候声明一个请求，但控制器有权授予请求或不授权。如果请求被拒绝，请继续询问，最终将被授予。

SDRAM的最后一个复杂性来自于读取请求返回的数据延迟（称为SDRAM数据表中的CAS延迟）。控制器也可能会增加几个时钟的延迟。因此，即使控制器可能立即授予读取请求，匹配数据只能在固定数量的时钟后才可用。为了方便起见，我们添加了一个“数据有效”信号，当数据真正可用时，该信号被断言。

状态机

我们的SDRAM控制器的心脏是一台状态机。控制器等待请求（读取或写入），打开匹配的存储体/行，发出读取或写入命令（只要活动代理在活动行中请求它们），最后关闭该行。

有了这个计划，一次只有一家银行活跃起来。先进的SDRAM控制器可以同时激活多个存储体，但我们决定保持简单。

现在，打开和关闭行需要时间。例如，我们的SDRAM数据表提供了这些数字：

• tRCD = 20ns（有效可读/写）
• tRP = 21ns（预充电至有效）

所以如果我们在100MHz下运行我们的SDRAM，时钟周期为10ns，我们需要在状态机中添加一些空的时钟周期（称为NOP）。
如果读取代理不能保证定期打开每一行，还需要刷新周期。

状态机现在看起来有点复杂。

最后，可能需要调整NOP周期的数量。例如，在100MHz和tRP = 21ns的情况下，预充电后实际需要两个NOP周期（在下一次激活之前给我们30ns）。

初始化

SDRAM有一些可编程设置（如CAS延迟），因此需要在上电后初始化“MODE”寄存器。“LOAD MODE”命令用于此目的。SDRAM初始化可以添加到控制器中，或者在控制器运行之前的一个单独步骤中添加。

代码

我们的控制器的核心如下所示。
为了获得尽可能好的IO时序，所有的SDRAM控制信号都被注册，以便FPGA中不存在组合逻辑信号。

alway @（posedge clk）//状态机
 case（state）
    2'h0：begin
    	，if（RdReq | WrReq）开始   //是否有读或写请求？
    		SDRAM_CMD <= SDRAM_CMD_ACTIVE; //如果是的话，打开
    		SDRAM_BA <= Addr [19]; //这家银行
    		SDRAM_A <= Addr [18：8]; //这一行
    		SDRAM_DQM <= 2'b11;
    		state<= 2'h1;
    	end
    	others
    	begin
    		SDRAM_CMD <= SDRAM_CMD_NOP; //保持空闲状态
    		SDRAM_BA <= 0;
    		SDRAM_A <= 0;
    		SDRAM_DQM <= 2'b11;
    		状态<= 2'h0;
    	end 
    end 
    2'h1：begin
    	SDRAM_CMD <= ReadSelected？SDRAM_CMD_READ：SDRAM_CMD_WRITE;
    	SDRAM_BA <= AddrR [19];
    	SDRAM_A [9：0] <= {2'b00，AddrR [7：0]}; //列
    	SDRAM_A [10] <= 1'b0; //没有自动预充电
    	SDRAM_DQM <= 2'b00;
    	状态<=（ReadSelected？RdReq：WrReq）＆SameRowAndBank？2'h1：2'h2;
    end
    2'h2：begin
    	SDRAM_CMD <= SDRAM_CMD_PRECHARGE; //完成后关闭该行
    	SDRAM_BA <= 0;
    	SDRAM_A <= 11'b100_0000_0000; //所有银行预充电
    	SDRAM_DQM <= 2'b11;
    	状态<= 2'h0;
   end
endcase

完整的演示代码在这里可用。它是功能性的，但由于这是教育性的，我们通过删除非基本功能尽可能简化它。检查代码中的注释以了解限制和要求。

使用示例

SDRAM通常用于视频卡，因为需要大量内存来存储图形。它的工作方式如下：计算机的CPU将图形数据发送到视频卡。该卡使用SDRAM来存储数据，并且卡中的控制器定期读取存储器以将数据发送到显示器。数据（在SDRAM中）在此过程中自动刷新。

我们使用Xylo-EM板创建了这样的基本系统，作为我们验证过程的一部分。SDRAM控制器是双端口的，这使设计变得简单（PC / FX2是写代理，视频控制器是阅读代理）。