SDRAM实战篇—SDRAM读写

一、SDRAM简介

1、存储器类型

存储器：程序运行过程中，用于存储数据的器件；可以存放不同类型的数据

2、SDRAM

• 英文名：Synchronous Dynamic Random Access Memory
• 中文名：同步动态随机存储器
• 优点：空间存储量大、读写速度快、价格相对便宜
• 缺点：控制逻辑复杂

3、SDRAM内部结构

SDRAM寻址

指定行地址与列地址，找到存储单元

SDRAM的存储空间被划分为4个L-Bank，在寻址时需要先指定其中一个L-Bank，然后在选定的L-Bank中选择相应的行与列进行寻址。

SDRAM存储容量

$SDRAM总存储容量=L-Bank的数量\times 行数\times 列数\times 存储单元的容量$

4、存储单元

结构示意图

行地址与列地址选通使得存储电容与数据线导通，从而可进行放电（读取）
与充电（写入）操作。

5、功能框图

SDRAM功能框图

二、SDRAM操作时序

1、初始化

SDRAM芯片上电之后需要一个初始化的过程

模式寄存器设置

2、读写操作

行激活
无论是读操作还是写操作，都要先激活（Active）SDRAM中的一行，使之处于有效状态，因此又称行有效【#代表低电平有效】

SDRAM芯片的“片选”和L-Bank的“定址”与行激活同时进行。

列读写
行地址激活之后，需要对列地址进行寻址。读写命令是与列地址信号同时发出的

发送列读写命令时必须要与行激活命令有一个时间间隔，这个时间间隔被定义为tRCD，即RAS to CAS Delay（RAS至CAS延迟）

数据输出（读）
在CAS发出之后，要经过一定的时间才能有数据输出。

数据输入（写）
数据与写指令同时发送。数据并非即时的写入存储单元，数据的真正写入需要一定的周期。【为了保证数据的可靠写入，都会留出足够的写入/校正实际（tWR），这个操作也被称为写回】

突发长度
突发是指在同一行中相邻的存储单元连续进行数据传输的方式，连续传输所涉及到存储单元（列）的数量就是突发长度。【BL】

在MRS（模式寄存器设置）阶段除了要设定BL数值之外，还需要确定“读/写操作模式”以及“突发传输模式”

数据掩码—写
在突发传输过程中，为了屏蔽不需要的数据，采用了数据掩码【DQM0】技术

通过DQM，内存可以控制I/O端口取消哪些输出或输入的数据。

写入时，DQM与写入命令一样是立即生效。
数据掩码—读
在读取时DQM发出两个时钟周期后生效

预充电
在对SDRAM某一存储地址进行读写操作结束后，如果要对同一L-Bank的另一行进行寻址，就要将原来有效（工作）的行关闭，重新发送行/列地址。
L-Bank关闭现有工作行，准备打开新的工作行的操作就是预充电（Precharge）

读写操作时，地址线A10控制着是否进行在读写之后对当前L-Bank自动进行预充电。
读取时预充电时序图
发出预充电命令后，要经过一段时间才能发送行激活命令打开新的工作行，这个间隔被称为tRP（预充电有效期）【CL=2，BL=4，tRP=2】

写入时预充电时序图
写操作时，预充电不能与写操作同时进行，必须要在tWR之后才能发出预充电命令，以确保数据的可靠写入，否则重写的数据可能是错的。【BL=4，tWR=1，tRP=2】

3、刷新

“动态”随机存储器就是因为它需要不断进行刷新才能保留数据，因此刷新是SDDRAM最重要的操作。
刷新操作与预充电类似，都是重写存储体中的数据。【同时刷新4个Bank中的某一行】

自动刷新
自动刷新（AR）【Auto ReFresh】，SDRAM内部有一个行地址生成器（也叫刷新计数器）用来自动生成行地址。
每次刷新操作所需要的时间为自动刷新周期（tRC），在自动刷新指令发出后需要等待tRC才能发送其他指令。
自刷新
自刷新（SR）主要用于休眠模式低功耗状态下的数据保存。在发出AR指令时，将CKE置于无效状态，就进入了SR模式。
SR模式下SDRAM不再依靠系统时钟工作，而是根据内部的时钟进行刷新操作。

三、程序设计

1、实验任务

准备工作：

• 硬件：正点原子FPGA开发板
• 软件：Quartus18.1
• SDRAM：W9825G6DH-6

任务：

• 向开发板上的SDRAM中写入数据；
• 从SDRAM存储空间的起始地址写；
• 写完后再将数据读出；
• 验证读出数据是否正确。

2、设计思路

系统框图

SDRAM控制器设计

3、状态机设计

初始化状态机

工作状态机

4、模块功能及实现