FPGA实现SDRAM控制器

发表于 5/6/2023 6:01:36 PM 阅读（1479）

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，特别适合用来当做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。

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，也是非常简洁的，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。

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。

设计时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。