SDRAM随机读写控制器

1，SDRAM控制模块介绍

SDRAM，同步动态随机存取内存（synchronous dynamic random-access memory，简称SDRAM）。SDRAM利用内部的电容来储存数据，具有较高容量，成本低的优点。在FPGA设计中，与FPGA的片上储存空间（十到百KB量级，较高级的FPGA拥有上MB的片上储存空间）相比，SDRAM拥有较大的储存空间（10MB量级到100MB量级均有）。故SDRAM可用来储存大容量的数据，在图像处理时有着大量的应用。

常见的SDRAM控制器代码都是基于连续突发读写模式的，在需要传输连续地址的大批量数据时十分方便。但是需要进行随机的地址读写时，突发读写的控制器便不方便使用。例如将SDRAM作为CPU的内存模块使用时，常常需要访问和修改随机地址的数据，故需要设计SDRAM随机读写控制器。 

 本文介绍SDRAM的基本知识后，详细介绍SDRAM随机读写控制器的设计和使用。本SDRAM随机读写控制器是基于altera的nios ii 处理器的sdram控制器设计而成。用户端基于Avalon-MM接口进行控制。

 

2，控制器的端口描述

常见的SDRAM的引脚如下图所示：

各个引脚的功能如下：

CLK：	SDRAM工作的时钟，并且所有的输入信号都是在CLK的上升沿进行检测的，也就是说我们给SDRAM给的任何命令，一定要在CLK的上升沿保持稳定，以免SDRAM获取我们给出的命令时出现错误。
CKE：	时钟使能信号，是用来控制SDRAM内部时钟是否工作的一个信号（在SDRAM内部也是有时钟的哦）
CS：	片选信号，这里需要注意的是，如果要对SDRAM进行操作，必须要将片选信号拉低
BA0，BA1：	Bank地址线，用来给bank的地址，可以控制SDRAM的4个bank
A0～A11：	地址线，当我们选择SDRAM某个Bank的Row地址的时候，需要到12根地址线（A0～A11）；当选择Col地址的时候，只用A0～A8这9根线；A10这个信号可以用来控制Auto-precharge。
RAS、CAS、WE：	这三根线就是用来给SDRAM发命令的，包括初始化、读、写、自动充电等命令。
UDQM、LDQM：	数据输入/输出掩码。
DQ0～DQ15：	SDRAM的数据线，为双向的，向SDRAM写数据或者从SDRAM中读出来的数据都是在DQ上进行传输的

3，SDRAM操作流程

SDRAM的操作步骤可分为如下几项：

• 上电延时等待。

• 芯片初始化，配置操作模式。

• 行地址有效。

• 列读写。

• 数据输出（读）。

• 数据输入（写）。

• SDRAM的自动刷新操作。

首先，芯片上电后延时等待大约200us的时间，然后进行芯片的初始化，进行操作模式配置。初始化成功后便可以进行数据的读写操作。在进行数据读写时，先进行行选中，然后进行列选中，同时根据控制端口的信号，进行数据的读或写操作。读和写操作可以配置成突发模式，一次可以连续传输多个数据。每个操作都需要延迟一定的时钟周期。

另外，还需要对芯片进行定期的刷新操作，以保证SDRAM内部的数据不被丢失，两次刷新之间的最大时间间隔为15us。同时提醒大家，SDRAM每进行一次刷新，是对每一行进行操作的，并不是单独针对每一个电容进行充电，所以每进行一次刷新，该行中的电容进行充电我们可以理解为是同步发生的。

在进行不同的操作步骤时，都有对应的控制指令，用以区分这些操作步骤，下面介绍控制指令。正常操作下，保持CKE=1，CSn=0。

初始化操作过程如下

具体步骤为：一次预充电--->两次自刷新--->模式配置。每一次操作之间都要有一定的延迟时间。

4，模块接口描述

该控制器的功能方块图如下所示：

SDRAM端口外接到SDRAM芯片。Avalon-MM为用户控制信号。SDRAM的端口不在介绍。下面介绍下Avalon-MM接口。

Avalon 接口是 Altera FPGA的Qsys软核系统使用的总线协议。Avalon-MM是Avalon Memory Mapped Interface的简称，是基于地址读写典型的主从连接关系的接口。Avalon-MM 接口信号类型，如下表所示。

在该控制模块中，使用的端口如下。

5，数据读写操作流程

上电启动后，控制模块会自动完成sdram的初始化，模式配置，并自动进行周期性自刷新。用户只需要利用Avalon-MM接口便可以进行数据的读写。

写数据操作：进行写数据操作时，将写地址和写数据放置在az_addr和az_data端口，同时将写使能信号az_wr_n置低，直到za_waitrequest信号为低时，数据写入成功，然后将写使能信号az_wr_n置高即可。

读数据操作：进行读数据操作时，将读地址放置在az_addr端口，同时将读使能信号az_rd_n置低，等到返回数据有效信号za_valid为高时，有效的读数据在za_data端口输出，然后将读使能信号az_rd_n置高即可。此时数据读操作完成。

空闲时，保持写使能信号az_wr_n和读使能信号az_rd_n为高。

6，在线调试波形图

利用该模块，建立一个sdram设计读取的dome，并利用signaltap工具进行在线调试，抓取模块运行时的波形。

（1）初始化时序图

该模块在运行初始化时，进行了1次预充电，7次自刷新，和一次模式寄存器配置。

（2）初始化寄存器配置

在进行模式配置时，由于是对数据进行随机地址读写，不需要进行数据的连续传输，即将突发长度配置为1即可，使得每次只读写一个数据。

（3）自动刷新

初始化配置完成后，该模块便自动进行周期的自刷新操作。

（4）读数据操作

（5）写数据操作