FPGA之旅设计99例之第二十例---SDRAM存储器实现
一. 简介
本例将介绍SDRAM的使用。SDRAM是一个存储器件，存储容量大，存储速度比较快，速度可达100M，特别适合用来当中视频或者音频中的存储器件。
在采集到OV5640传输过来的图像数据的时候，FPGA的片上资源是没有那么大的存储空间进行存储的，必须通过外部的存储器件进行存储。恰好开发板上有一片SDRAM，所以用此来进行存储，一般而言入门级的FPGA开发板上都是配置的SDRAM，中高级一点的是DDR2(alter开发板),DDR3(xilinx开发板)。
所以本例将实现一个完善的SDRAM存储控制器，供大家查看。
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二. SDRAM接口信号
从下面框图中可以看出，SDRAM接口信号可以分为四大类:控制信号，地址信号，数据输入输出信号，掩码信号。下面将详细介绍各个命令的作用。
| CKE | 时钟使能信号，高电平有效，一般上电后，就一直为高了 |
|---|---|
| CLK | 时钟信号，由外部输入 |
| CS | 片选信号，低电平有效，一般上电后，就一直为低了 |
| WE,CAS,RAS | 命令信号，一般将CS组合在一起，组成4bit的命令 |
| A | 地址信号，行列地址分时有效 |
| BA | bank区域选择 |
| DQML/DQMH | 掩码，高电平有有效，DQMH对应DQ[15:8]bit,DQML对应DQ[7:0],DQMx置高，在读写时，对应的DQ一直为高阻态 |
| DQ | 数据输入输出 |
以上就是SDRAM的全部接口信号了，并没有特别复杂。
下图是SDRAM的所有命令，在对SDRAM进行操作的时候，需要使用到。
然后在.v文件中先将其定义出来，方便后续使用
三. SDRAM上电初始化
上电后，没有任何时序上的操作，只需要延时100us(手册上要求最小为100us)，使输入输出电平达到稳定,即可，在此期间，发送的命令最好为NOP。
这里初始化包括了初始化和加载模式寄存器，我认为初始化，就是加载模式寄存器。
（1）模式寄存器
模式寄存器的定义如下，通过地址线给出，每位都有其具体的含义。
0-2 bit：定义突发长度，每给一个读/写命令后，输出/输入的数据大小
4-6bit :定义潜伏期，发出读命令后，延时多少个周期给读数据，仅对读操作有效
10-12bit:保留，始终置高即可
其余位始终保持为0即可。模式寄存器的内容就这么多。
（2）初始化
下图是初始化的过程，按照图示要求依次发送对应的命令即可，命令与命令之间的间隔时间手册上都有说明，取的时候，可以适当取大。模式寄存器的A信号被分成了两部分A10和其他，可以看到A10在PRECHARGE阶段有特殊作用，一般为1，对所有的bank都进行预充电。
在模式寄存器中A10也是为1的，所以在整个初始化过程中，A可以直接赋值为模式寄存器的值。
实现过程如下，也是非常简介的，编写好初始化模块看，可以直接仿真，这里多亏了大佬写的sdram模型(就是一个.v文件)，不用上板，可以直接仿真看代码编写是否正确。
仿真输出如下，可以看到和时序图中，命令发送过程是一样，同时也可以看到，模式寄存器配置的具体参数，非常方便，初始化模块就顺利的编写完成了。
四. 刷新模块
由于sdram的特殊结构，sdram在使用的过程中，需要每隔一段时间，对所有的存储区域进行一次刷新操作(充电)，否则内部存储的数据会丢失，这将会成为后面设计的一大难点。
根据手册得知每64ms需要完成8192次刷新操作，也就是下面的时序图需要在64ms内运行8192次，平均下来7us就要进行一次，这个时间需要记住非常重要。
同样也是根据手册给出的时序图进行编写代码，一共需要发送三个命令
代码实现如下，也是非常容易实现的。
从图中可以看出，每个7090ns进行一次刷新，满足要求。
至此，初始化和刷新模块编写完成，这两部分只需要按照手册上给出的时序图来编写代码即可,比较容易即可完成，后面的读写模块会复杂一些。
五. 写模块
读模块的时序图如下，截取的是没有auto precharge操作的，也就是在数据写完后，需要手动发送一个precharge命令。同样可以让sdram自动完成这个操作，只需要在发送write命令的时候，将A10拉高即可，这样在发送完数据后，就可以直接结束了，不用发送precharge命令。本次介绍的是需要发送precharge命令。
设计是需要清楚以下两个问题
- 发送过程中，需要切换行地址或者bank的时候，应该怎样操作
- 发送过程中，突然来了刷新请求时，该如何处理
先对第一个问题进行说明一下，在sdram中，行地址和bank是发送ACTIVE命令时指定的，发送write命令时，就可以指定列地址了，如下BL=1。也就是说切换行地址或bank时需要重新发送ACTIVE命令。ps： 写操作是没有潜伏期的。
手册中也给出了这部分的时序图，如下。需要注意的一点是，它这是使能了auto precharge，所以数据发送完成后，没有发送precharge命令，就发送了ACTIVE命令来切换行地址或bank了。没有使能的情况下，需要加上precharge地址，然后再延时tRCD，发送ACTIVE命令，这点需要注意。
第二个问题，当刷新请求来时，这个时候当然是要暂停发送数据，需要保存已经发送数据的个数，以及当前发送的地址和bank。然后在刷新结束后，继续发送数据。
模块框图和状态机如下。在write_data_en使能的情况下，外部输入数据进来，其余时刻输入的数据无效，相当于一个握手信号。sdram模式寄存器配置的是突发长度为1，所以这里单次写突发长度是没有大小限制的。
sdram_write
(
input sdram_clk,
input rst_n,
input sdram_write_req, //写请求
output sdram_write_ack, //写响应
input sdram_write_pause, //写暂停信号，转去刷新操作
output reg sdram_write_pause_ack, //写暂停响应，成功暂停
input[24:0] write_addr, //写入地址
input[15:0] write_data, //写入数据 {bank[1:0s],row[12:0],clo[9:0]}
input[9:0] write_burst_length, //单次写突发长度 //可以为sdram大小
output write_data_en, //写入数据有效输出
//sdram接口
output[3:0] sdram_write_cmd,
output[12:0] sdram_write_addr,
output[1:0] sdram_write_ba,
output[15:0] sdram_write_data
);
localparam S_IDEL = 'd0; //空闲态
localparam S_ACTIVE = 'd1; //激活态
localparam S_WRITE = 'd2; //写数据
localparam S_PAUSE = 'd3; //写暂停
localparam S_ALTERNATE = 'd4; //换行换bank缓存
localparam S_PRECHARGE = 'd5; //写结束后或切换行列地址，发送precharge命令
localparam S_END = 'd6; //写结束
always@(*)
begin
case(state)
S_IDEL:
if( sdram_write_req == 1'b1 )
next_state <= S_ACTIVE;
else
next_state <= S_IDEL;
S_ACTIVE:
if( sdram_write_pause == 1'b1 ) //写暂停信号，转去刷新操作
next_state <= S_PAUSE;
else if( time_cnt == `tRCD )
next_state <= S_WRITE;
else
next_state <= S_ACTIVE;
S_WRITE:
if( sdram_write_pause == 1'b1 ) //写暂停信号，转去刷新操作
next_state <= S_PAUSE;
else if( alternating_bank_row_en == 1'b1)
next_state <= S_PRECHARGE;
else if( write_burst_length_cnt == write_burst_length )
next_state <= S_PRECHARGE;
else
next_state <= S_WRITE;
S_PAUSE:
if( sdram_write_pause == 1'b0 ) //刷新操作结束
next_state <= S_ACTIVE;
else
next_state <= S_PAUSE;
S_ALTERNATE:
if( time_cnt == `tRCD)
next_state <= S_ACTIVE;
else
next_state <= S_ALTERNATE;
S_PRECHARGE:
if( time_cnt == `tRP + `tWR)
if( write_burst_length_cnt >= write_burst_length)
next_state <= S_END;
else
next_state <= S_ALTERNATE;
else
next_state <= S_PRECHARGE;
S_END:
next_state <= S_IDEL;
default : next_state <= S_IDEL;
endcase
end
最后通过仿真，确认实现正确，第一幅图是写过程进行刷新操作，第二幅图是，写过程切换行地址
六. 读模块
读模块过程的编写和写模块是一模一样的，不过需要注意的是读模块有潜伏期，命令发送和数据输出相差CL个时钟周期，读数据的时候，需要将这个延时加入其中，可以看到接口信号和写模块是一样。不过对数据进行采样的时候，需要使用输入到sdram中的时钟，这需要注意。
sdram_read
(
input sdram_clk,
input rst_n,
input sdram_read_req, //读请求
output sdram_read_ack, //读响应
input sdram_read_pause, //读暂停信号，转去刷新操作
output reg sdram_read_pause_ack, //读暂停响应，成功暂停
input[24:0] read_addr, //读入地址
output[15:0] read_data, //读出数据 {bank[1:0s],row[12:0],clo[9:0]}
input[9:0] read_burst_length, //单次读突发长度 //可以为sdram大小
output read_data_en, //读数据有效输出
//sdram接口
output[3:0] sdram_read_cmd,
output[12:0] sdram_read_addr,
output[1:0] sdram_read_ba,
input[15:0] sdram_read_data
);
通过仿真输出，确定突发读期间，换行以及刷新完全正确
至此SDRAM模块的编写就完成了，顶层框图如下，至于在外部如何进行封装，那就看不同的需求了。
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SDRAM_TOP(
input sys_clk, //sdram的系统时钟 100M
input rst_n, //异步复位信号
//读接口
input read_req,
output read_ack,
input[24:0] read_addr,
input[9:0] read_burst_length,
output[15:0] read_data,
output read_data_en,
//写接口
input write_req,
output write_ack,
input[24:0] write_addr,
input[9:0] write_burst_length,
input[15:0] write_data,
output write_data_en,
//sdram接口
output sdram_clk, //sdram clock
output sdram_cke, //sdram clock enable
output sdram_cs_n, //sdram chip select
output sdram_we_n, //sdram write enable
output sdram_cas_n, //sdram column address strobe
output sdram_ras_n, //sdram row address strobe
output[1:0] sdram_dqm, //sdram data enable
output[1:0] sdram_ba, //sdram bank address
output[12:0] sdram_addr, //sdram address
inout[15:0] sdram_dq //sdram data
);