Fpga Verilog SDRAM模块—单字读写案例

SDRAM模块① — 单字读写

笔者与SDRAM有段不短的孽缘，它作为冤魂日夜不断纠缠笔者。笔者尝试过许多方法将其退散，不过屡试屡败的笔者，最终心情像橘子一样橙。

图18.1 数据读取（理想时序左，物理时序右）。

首先，让我们来了解一下，什么才是数据读取的最佳状态？如图18.1所示，红色箭头是上升沿，绿色箭头是锁存沿。左图是理想时序读取数据的最佳状态，即T0发送数据，T1锁存数据。右图则是物理时序读取数据的最佳状态，即T0发送数据，然后数据经由 TDATA延迟，然后T1锁存数据。理想状态下，读取数据不用考虑任何物理因数，凡是过去值都会读取成功。

图18.2 读取数据（物理时序）。

然而物理状态下，读取数据则必须考虑物理因数，但是物理时序也有所谓的理想状态，即数据被TDATA推挤，然后恰好停留在锁存沿的正中间。该状态之所以称为理想，那是因为建立时间TSETUP与保持时间THOLD都被满足。

如图18.2所示，TSETUP从数据中间向左边覆盖，THOLD从数据中间向右边覆盖，如果两者不完全覆盖数据，那么数据的有效性就能得到保证。简言之，数据是否读取成功，建立时间还有保持时间都必须得到满足。但是我们也知道，Verilog不能描述理想以外的东西，即Verilog无力描述TDATA。话虽如此，我们可以改变时钟位移来达到同样的效果。

图18.3 CLOCK1位移 -180°（左图），没有位移（中图），CLOCK2 位移 +180°（右图），以及修正结果。

常见的理想时序，最多适用在FPGA的内部而已。当描述功活动涉及FPGA的外部，那么理想时序必须考虑对外的情况。如图18.3所示，中间的理想时序图可以经由 CLOCK1 位移 -180°，又或者 CLOCK2 位移 +180° 来得到同样的效果。虽说180° 的位移是理想效果，但是我们还要考虑物理路径所带来的影响。根据Alinix 301这只开发板，我们必须追加 -30° 位移才能达到修正的效果。（注意：追加-30° 的修正时序仅仅为适用Alinix 301这只板子而已）。理解完毕以后，我们便可进入正题。

驱动SDRAM而言，简单可以分为以下四项操作：

（一）初始化

（二）刷新操作

（三）读操作

（四）写操作

初始化令SDRAM就绪，刷新操作就是不失掉内容（数据），读操作就是从SDRAM哪里读取数据，写操作就是向SDRAM写数据。其中，读写操作又有单字读写，多字读写还有页读写。

首先，让我们来分析一下Alinx 开发板上HY57V2562GTR 这只SDRAM。根据手册，这只SDRAM有256Mb的容量，4个BANK（即一个BANK为64Mb)，频率极限为200Mhz，数据保留周期为 8192 / 64ms。至于引脚定义如表18.1所示：

表18.1 SDRAM的引脚定义

分类	标示	信号	说明
时钟信号	CLK	S_CLK	时钟源
地址信号	BA0~1	S_BA[1:0]	BANK地址
A0~A12	S_A[12:0]	读写地址，行列共用，A0~A12为行地址，CA0~CA8为列地址
命令信号	CKE	S_CKE,	时钟选，拉高有效
CS	S_NCS,	片选，拉低有效
RAS	S_NRAS,	命令选，拉低有效
CAS	S_NCAS,	命令选，拉低有效
WE	S_NWE	命令选，拉低有效
数据信号	DQ0~DQ15	S_DQ[15:0]	读写数据的IO
LDQM，UDQM	S_DQM[1:0]	遮盖数据，一般拉低无视

如表18.1所示，CLK为SDRAM的时钟源。CKE，CS，RAS，CAS还有WE皆为命令信号，五者相互组合形成以下几个常用命令，结果如表18.2所示：

表18.2 常用命令。

命令	CKE	CS	RAS	CAS	WE	说明
NOP	1	0	1	1	1	空命令
ACT	1	0	0	1	1	激活命令，选择Bank地址与行地址
WR	1	0	1	0	0	写命令，开始写数据
RD	1	0	1	0	1	读命令，开始读数据
BSTP	1	0	1	1	0	停止命令，停止读写
PR	1	0	0	1	0	预充命令，释放选择
AR	1	0	0	0	1	刷新命令，刷新内容
LMR	1	0	0	0	0	设置命令，设置SDRAM

l NOP为No Operation，即空命令，除了给空时间以外没有任何意义。

l ACT为Active，即激活命令，用来选择某Bank某行。

l WR为Write，即写命令，通知设备开始写数据。

l RD为Read，即读命令，通知设备开始读数据。

l BSTP为Burst Stop，即停止命令，禁止设备继续读写。

l PR为 Precharge，即预充命令，用来释放某Bank与某行的选择。

l AR为Auto Refresh，即刷新命令，用来刷新或者更新数据内容。

l LMR为Load Mode Register，即设置命令，用来配置设备参数。

Verilog则可以这样描述这些命令，结果如代码18.1所示：

    parameter _INIT = 5'b01111, _NOP = 5'b10111, _ACT = 5'b10011, _RD = 5'b10101, _WR = 5'b10100,

              _BSTP = 5'b10110, _PR = 5'b10010, _AR = 5'b10001, _LMR = 5'b10000;

代码18.1

DQ0~DQ15为数据信号。BA0~1与A0~A12皆为地址信号，其中A0~A12行列共用，，然而地址信号可以指向的范围，如下计算：

2（2 Bank ＋ 13 Row ＋ 9 Column）× 16 bit = 224× 16 bit

= 1.6777216e7 × 16 bit // 16M × 16 bit

= 2.68435456e8 bit

= 262144 kbit

= 256 Mbits

初始化：

初始化除了就绪SDRAM以外，我们还要设置SDRAM内部的 Mode Register，设置内容内容如表18.3所示：

表18.3 Mode Register的内容。

Mode Register

A12

A11

A10

A9

A8

A7

A6

A5

A4

A3

A2

A1

A0

0

0

OP Code

0

0

CAS Latency

BT

Burst Length

A3 Burst Type 0 Sequential 1 Interleave	Burst Length A2 A1 A0 A3 = 0 A3 = 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 2 0 1 0 4 4 0 1 1 8 8 1 1 1 Full Page Reserved
A9 Write Mode 0 Burst Read and Burst Write 1 Burst Read and Single Write	A6 A5 A4 CAS Latency 0 1 0 2 0 1 1 3

如表18.3所示，设置内容必须经由地址信号A12~A0。其中A2~A0表示字读写的长度，实验十八为单字读写，所以A2~A0设置为3’b000。A3表示读写次序，1’b0表示顺序读写。A6~A4表示 CAS 延迟（也可以视为读出延迟），设为 3’b011是为读出更稳定。A9表示读写模式，一般都是设置为1’b0。

图18.4 初始化的理想时序图。

图18.4是初始化的理想时序图，其中CLOCK1为 -210°的系统时钟，CLOCK2为SDRAM的时钟。rCMD为CKE，CS，RAS，CAS还有WE等命令。rA为A0~A12，rBA为BA0~BA1等地址信号。初始化过程如下所示：

l T0，满足100us；

l T1，发送PR命令，拉高所有rA与rBA。

l T1半周期，SDRAM读取。

l T2，满足TRP；

l T3，发送AR命令。

l T3半周期，SDRAM读取。

l T4，满足TRRC，

l T5，发送AR命令。

l T5半周期，SDRAM读取。

l T6，满足TRRC，

l T7，发送LMR命令与相关Code（设置内容）。

l T7半周期，SDRAM读取。

l T8，满足TMRD。

怎么样？读者是不是觉得很单纯呢？事后，Verilog则可以这样描述，结果如代码18.2所示：

1.    case( i )

2.

3.           0:  // delay 100us

4.           if( C1 == T100US -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end

5.           else begin C1 <= C1 + 1'b1; end

6.

7.           1: // Send Precharge Command

8.           begin rCMD <= _PR; { rBA, rA } <= 15'h3fff; i <= i + 1'b1; end

9.

10.           2: // wait TRP 20ns

11.          if( C1 == TRP -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end

12.           else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end

13.

14.           3: // Send Auto Refresh Command

15.           begin rCMD <= _AR; i <= i + 1'b1; end

16.

17.           4: // wait TRRC 63ns

18.          if( C1 == TRRC -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end

19.           else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end

20.

21.           5: // Send Auto Refresh Command

22.           begin rCMD <= _AR; i <= i + 1'b1; end

23.

24.          6: // wait TRRC 63ns

25. if( C1 == TRRC -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end

26.          else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end

27.

28.          7: // Send LMR Cmd. Burst Read & Write, 3'b011 mean CAS latecy = 3, Sequential, 1 burst length

29.          begin rCMD <= _LMR; rBA <= 2'b11; rA <= {3'd0,1'b0,2'd0,3'b011,1'b0, 3'b000}; i <= i + 1'b1; end

30.

31.         8: // Send 2 nop CLK for tMRD

32.         if( C1 == TMRD -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end

33.         else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end

34.

35.         9: // Generate done signal

36.         begin isDone <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end

37.

38.        10:

39.        begin isDone <= 1'b0; i <= 4'd0; end

40.

41.    endcase

代码18.2

代码18.2完全按照图18.4去驱动，读者只要将i看为T就万事大吉，其中步骤7发送LMR命令还有设置Code内容。至于步骤8~9则用来产生完成信号。

刷新操作：

图18.5 刷新操作的理想时序图。

所谓定期刷新就是被宫掉的初始化，如图18.5所示，时序过程如下：

l T0，发送PR命令（拉高所有rA与rBA视喜好而定）；

l T0半周期，SDRAM读取。

l T1，满足TRP；

l T2，发送AR命令。

l T2半周期，SDRAM读取。

l T3，满足TRRC，

l T4，发送AR命令。

l T4半周期，SDRAM读取。

l T5，满足TRRC，

Verilog 则可以这样表示，结果如表18.3所示：

1.    case( i )

2.

3.            0: // Send Precharge Command

4.            begin rCMD <= _PR; i <= i + 1'b1; end

5.

6.            1: // wait TRP 20ns

7.            if( C1 == TRP -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end

8.             else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end

9.

10.             2: // Send Auto Refresh Command

11.             begin rCMD <= _AR; i <= i + 1'b1; end

12.

13.             3: // wait TRRC 63ns

14.            if( C1 == TRRC -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end

15.             else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end

16.

17.            4: // Send Auto Refresh Command

18.             begin rCMD <= _AR; i <= i + 1'b1; end

19.

20.             5: // wait TRRC 63ns

21.            if( C1 == TRRC -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end

22.             else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end

23.

24.             6: // Generate done signal

25.             begin isDone <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end

26.

27.            7:

28.            begin isDone <= 1'b0; i <= 4'd0; end

29.

30.    endcase

代码18.3

除了步骤6~7用来产生完成信号以外，代码18.3都是据图18.5描述。SDRAM储存的内容是非常脆弱的，如果我们不定期刷新内容，该内容有可能会蒸发掉。根据 HY57V2562GTR这只 SDRAM，它的内容储存周期为 8192 / 64ms，然而定期刷新的计算如下：

64ms / 8192 = 7.8125us

换言之，每隔7.8125微妙就要刷新一次所有内容。

写操作：

图18.6 写操作的理想时序图。

图18.6是写操作的理想时序图，过程如下：

l T1，发送ACT命令，BANK地址与行地址；

l T1半周期，SDRAM读取；

l T2，满足TRCD；

l T3，发送WR命令，BANK地址与列地址，还有写数据；

l T3半周期，SDRAM读取

l T4，满足TWR；

l T5，满足TRP。

正如前面说过，ACT命令式用来选择BANK地址与行地址，然而关键就在T3。T3除了发送WR命令，列地址，还有些数据以外，A10拉高是为了执行预充电。所谓预充电就是释放BANK地址，行地址与列地址等的选择。因此，满足TWR以后，我们还要满足TRP的释放时间，好让SDRAM有足够的时间自行释放选择。

Verilog则可以这样描述，结果如代码18.4所示：

1.    case( i )

2.

3.          0: // Set IO to output State

4.         begin isOut <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end

5.

6.         1: // Send Active Command with Bank and Row address

7.         begin rCMD <= _ACT; rBA <= iAddr[23:22]; rA <= iAddr[21:9]; i <= i + 1'b1; end

8.

9.        2: // wait TRCD 20ns

10.        if( C1 == TRCD -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end

11.         else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end

12.

13.         3: // Send Write cmd with row address, pull up A10 1 clk to PR

14.         begin rCMD <= _WR; rBA <= iAddr[23:22]; rA <= { 4'b0010, iAddr[8:0] }; i <= i + 1'b1; end

15.

16.         4: // wait TWR 2 clock

17.         if( C1 == TWR -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end

18.          else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end  

19.

20.         5: // wait TRP 20ns

21.         if( C1 == TRP -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end

22.          else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end

23.

24.          6: // Generate done signal

25.          begin isDone <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end

26.

27.         7:

28.         begin isDone <= 1'b0; i <= 4'd0; end

29.

30.     endcase

代码18.4

根据前面的计算，BA1~BA0再加上 RA12~A0与 CA8~A0以后，一共有24位宽，详细的位分配如表18.4所示：

表18.4 Addr的位分配。

位分配	地址内容
Addr[23:22]	BANK地址
Addr[21：9]	行地址
Addr[8:0]	列地址

如代码18.4所示，步骤用来设置IO口为输出。步骤1为rA赋值行地址，步骤3则为rA赋值列地址，并且拉高A10以示自行预充电。步骤6~7用来产生完成信号。

读操作：

图18.7 读操作的理想时序。

图18.7为读操作的理想时序，大致过程如下：

l T1，发送ACT命令，BANK地址与行地址；

l T1半周期，SDRAM读取；

l T2，满足TRCD；

l T3，发送RD命令，BANK地址与列地址；

l T3半周期，SDRAM读取命令。

l T4，满足 CAS Latency。

l T5，读取数据。

l T6，满足TRP。

读操作与写操作的过程大同小异，除了WR命令变成RD命令以外，A10为1同样表示自行预充电，余下就是满足CAS Latency。好奇的同学一定会觉得疑惑，为何CL 为3呢？其实没什么，只是直感上觉得3这个数字比较顺眼一点。注意CL的计算方式是读取RD命令以后开始计算。

Verilog可以这样描述，结果如代码18.5所示：

1.    case( i )

2.

3.            0:

4.            begin isOut <= 1'b0; D1 <= 16'd0; i <= i + 1'b1; end

5.

6.             1: // Send Active command with Bank and Row address

7.             begin rCMD <= _ACT; rBA <= iAddr[23:22]; rA <= iAddr[21:9]; i <= i + 1'b1; end

8.

9.            2: // wait TRCD 20ns

10.            if( C1 == TRCD -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end

11.            else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end

12.

13.            3: // Send Read command and column address, pull up A10 to PR.

14.             begin rCMD <= _RD; rBA <= iAddr[23:22]; rA <= { 4'b0010, iAddr[8:0]}; i <= i + 1'b1; end

15.

16.            4: // wait CL 3 clock

17.            if( C1 == CL -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end

18.            else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end

19.

20.            5: // Read Data

21.            begin D1 <= S_DQ; i <= i + 1'b1; end

22.

23.           6: // wait TRP 20ns

24.           if( C1 == TRP -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end

25.            else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end

26.

27.            7: // Generate done signal

28.            begin isDone <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end

29.

30.           8:

31.           begin isDone <= 1'b0; i <= 4'd0; end

32.

33.    endcase

代码18.5

代码18.5完全根据图18.7描述，除了步骤7~8用于产生完成信号以外。SDRAM的基本操作大致上就是这样而已，完后我们便可以开始建模了。

图18.8 SDRAM基础模块的建模图。

图18.8是SDRAM基础模块的建模图，SDRAM基础模块的内容包括SDRAM控制模块，还有SDRAM功能模块。外围的PLL模块应用频率为133Mhz向左位移210°的CLOCK1，还有133Mhz的CLOCK2。CLOCK1用作系统时钟，CLOCK用作SDRAM时钟。如果PLL模块硬要分类的话，它应该属于特殊性质的即时类吧！？

SDRAM控制模块主要负责一些操作的调度，左边2位Call/Done由外部调用，其中 [1]为写操作 [0]为读操作；右边4位Call/Done为调用SDRAM功能模块，其中 [3]为写操作 [2]为读操作 [1]为刷新 [0]为初始化。SDRAM功能模块的右边是驱动SDRAM硬件资源的顶层信号，左边的问答信号被控制模块调用以外，地址信号还有数据信号都直接连接外部。

审核编辑：刘清