零基礎(chǔ)學(xué)FPGA （二十二） SDR SDRAM（理論篇）

作者：時(shí)間：2015-08-07 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

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　　其實(shí)說(shuō)實(shí)話這一個(gè)月來(lái)也沒(méi)怎么看新知識(shí)，大體梳理了一下以前學(xué)過(guò)的知識(shí)，回顧了一下SOPC的學(xué)習(xí)。對(duì)于SOPC的學(xué)習(xí)我打算暫時(shí)先放一放，因?yàn)榍懊孢€有一個(gè)要寫的沒(méi)有完成，也是一直以來(lái)無(wú)法寫起的一個(gè)題目，就是今天我們要寫的SDRAM的操作。等寫完這個(gè)，我們?cè)倩氐絊OPC，帶領(lǐng)大家調(diào)USB2.0!

本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/278449.htm

　　由于SDRAM本身就是一個(gè)比較復(fù)雜的東西，之前小墨在學(xué)這方面東西的時(shí)候感覺(jué)很是吃力，于是那時(shí)候便暫時(shí)放下了，知道年后這段時(shí)間，小墨又重新拾起這個(gè)知識(shí)點(diǎn)，想要一口氣把它調(diào)通了，再往下看其他的東西。學(xué)SDRAM，理論要懂，代碼設(shè)計(jì)，仿真調(diào)試，時(shí)序分析，時(shí)序約束，都很重要。之前由于只是把代碼寫好了，對(duì)時(shí)序分析和時(shí)序約束這方面的知識(shí)還只是空白，所以怎么調(diào)都調(diào)不通。開學(xué)以來(lái)，小墨仔仔細(xì)細(xì)的研究了一下時(shí)序，也看了不少的資料，對(duì)時(shí)序也算是有所見解，摸透了倒是不敢說(shuō)，至少是懂了那些公式的由來(lái)，輸入輸出延時(shí)的計(jì)算，相位偏移的計(jì)算，以及源同步時(shí)序模型的理解等等，也做了不少的筆記，親手將其數(shù)值計(jì)算過(guò)，然后再將其添加到我的SDRAM工程之中，經(jīng)過(guò)好幾天的調(diào)試，穩(wěn)定不穩(wěn)定倒是不敢說(shuō)，因?yàn)橥粋€(gè)程序換到不同的開發(fā)板上，如果不經(jīng)過(guò)重新的時(shí)序約束，是很難跑起來(lái)的，小墨這幾天就親身經(jīng)歷過(guò)，同一段代碼在兩塊板子上不能同時(shí)跑，要換約束參數(shù)，當(dāng)然這是受PCB板的布局，SDRAM和FPGA的型號(hào)的影響，所以這段代碼的穩(wěn)定性要具體情況具體分析。

　　代碼的編寫還是參考了啟蒙老師特權(quán)老師的代碼，感覺(jué)這段代碼寫的很經(jīng)典，借助特權(quán)老師推薦的《高手進(jìn)階，終極內(nèi)存技術(shù)》這一篇文章，可以很好的理解SDRAM的工作原理，我是這樣學(xué)習(xí)這段代碼的，首先將《高手進(jìn)階，終極內(nèi)存技術(shù)》看一遍，當(dāng)然第一遍不好看懂，然后結(jié)合代碼再一遍一遍的去看工作原理，慢慢的就會(huì)明白特權(quán)老師為什么要這么處理了，然后再自己親手將這段代碼敲出來(lái)，遇到不懂得可以再去參考源代碼，這樣從頭到尾敲完之后，工作原理這一塊大體上就算是熟悉了，然后是仿真調(diào)試，這是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，要有耐心，再然后就是學(xué)習(xí)時(shí)序，親手將約束值算出來(lái)，再根據(jù)時(shí)序報(bào)告進(jìn)行微調(diào)，直到有一天看到自己從頭到尾做出來(lái)的工程，能后順利的跑起來(lái)，心中便會(huì)產(chǎn)生極大的成就感，那么恭喜你，你在FPGA設(shè)計(jì)方面可以算是一個(gè)小高手了(和剛開始學(xué)的人相比)。

　　接下來(lái)的文章我打算這么安排，第一篇，也就是這一篇說(shuō)一下理論，即SDRAM的工作原理和一些參數(shù)的含義，第二篇文章我要給SDRAM的設(shè)計(jì)做一個(gè)架構(gòu)，就是用狀態(tài)機(jī)的方式，描述每一個(gè)過(guò)程，給代碼編寫做一個(gè)清晰的思路，同時(shí)解讀一下特權(quán)老師的代碼和其中比較難懂的設(shè)計(jì)方法，最后一篇文章我們從靜態(tài)時(shí)序分析寫起，一直寫到SDRAM的收斂，其中包括建立保持時(shí)間的余量問(wèn)題，輸入輸出的延時(shí)的計(jì)算，SDRAM時(shí)鐘相位的計(jì)算，以及timequest的使用，時(shí)序報(bào)告的查看方法等，大概在一兩周的時(shí)間寫完，也希望大家多多支持，你們的支持，更是我前進(jìn)的最好動(dòng)力!

　　一、從結(jié)構(gòu)說(shuō)起

　　先來(lái)說(shuō)一下SDRAM的結(jié)構(gòu)吧。當(dāng)然沒(méi)有人家講的那么專業(yè)，只說(shuō)說(shuō)我的理解。

　　1、P-bank

　　SDRAM，也即我們的內(nèi)存，我們的電腦，手機(jī)等設(shè)備都離不開我們的內(nèi)存。一個(gè)設(shè)備運(yùn)行速度的快慢，內(nèi)存起到關(guān)鍵性的作用，就像我們的電腦，開機(jī)之后一般都是把一些應(yīng)用程序加載到內(nèi)存里運(yùn)行，因?yàn)镽AM的讀寫速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于ROM，而我們的SDRAM，即同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，就是通過(guò)不斷地刷新，充電，防止電容電量的丟失，從而保留住數(shù)據(jù)。與CPU交換數(shù)據(jù)，根據(jù)CPU位寬的不同，要相應(yīng)選擇不同的SDRAM芯片，SDRAM芯片的位寬不等，我們用的這片SDRAM是16位位寬，假設(shè)我們的CPU是64位的，那么我們要想與之匹配，就必須用到4片這樣的SDRAM，才能構(gòu)成64位的位寬，那么由這4片SDRAM 構(gòu)成的芯片集合，我們稱之為物理bank，即P-bank，CPU通過(guò)控制SDRAM的片選信號(hào)，控制相應(yīng)的芯片

　　2、L-bank

　　再往芯片里面看，每一片SDRAM里面，有幾個(gè)存儲(chǔ)陣列，我們開發(fā)板上的都是4個(gè)存儲(chǔ)陣列，這樣的存儲(chǔ)陣列，我們稱它為邏輯bank，即L-bank。每個(gè)存儲(chǔ)陣列里面有2^12行，2^8列,我們可以通過(guò)控制SDRAM的地址線，來(lái)選中相應(yīng)的行與列，進(jìn)而確定一個(gè)存儲(chǔ)單元，每個(gè)存儲(chǔ)單元里面就是我們的數(shù)據(jù)了，我們的芯片是16位的，所以我們的存儲(chǔ)單元也就是16位的。

　　這樣一來(lái)，CPU通過(guò)片選信號(hào)選中一片SDRAM，然后訪問(wèn)某一個(gè)L-bank，通過(guò)行列地址確定某一個(gè)存儲(chǔ)單元，將存儲(chǔ)單元里的數(shù)據(jù)讀出來(lái)送到CPU。這樣看來(lái)，芯片的位寬就是我們的存儲(chǔ)單元的位寬，若是一同選中所有SDRAM芯片，那么輸出的也就是16X4=64位的CPU位寬了。

　　3、芯片容量與內(nèi)存容量

　　我們來(lái)算一下SDRAM的芯片容量，一片SDRAM芯片假設(shè)有4個(gè)L-bank，2^12行，2^8列，那么它就含有4 x 2^12 x 2^8個(gè)存儲(chǔ)單元，又因?yàn)槊總€(gè)存儲(chǔ)單元里面有16位數(shù)據(jù)，因此，我們的芯片容量為 4 x 2^12 x 2^8 x 16 = 64Mbit = 16MB，如果是一個(gè)P-bank里面是4片SDRAM的話，那么我們的內(nèi)存容量就是4 x 16 = 64MB

　　我們?cè)偎阋幌拢偃缥覀兊腟DRAM的芯片位寬是8位的但是芯片容量不變，即芯片位寬是8位，芯片容量是16MB，那么，要想與64位的CPU匹配，我們需要8片SDRAM，那么我們的內(nèi)存容量就是8 x 16 = 128MB，由此可見，在芯片容量相同的情況下，位寬越小，內(nèi)存容量越大。這就說(shuō)明了，為什么我們的臺(tái)式電腦要用位寬小的芯片，因?yàn)榕_(tái)式電腦空間大，位寬越小，用的芯片越多，內(nèi)存也就越大，相反，我們的手機(jī)就必須用大位寬的芯片，從而節(jié)約空間，但是付出了內(nèi)存容量小的代價(jià)，這也說(shuō)明了為什么我們的手機(jī)或者筆記本電腦不如臺(tái)式機(jī)運(yùn)行速度快的原因，在內(nèi)存方面差了一大截

　　下面是我用畫圖做的一個(gè)框架，幫助大家理解

　　二、工作原理其實(shí)不難

　　這部分我們就按照代碼的順序開始講起

　　1、初始化

　　初始化開始，SDRAM需要經(jīng)過(guò)一個(gè)200us的穩(wěn)定延時(shí)，這部分在代碼部分直接做一個(gè)計(jì)數(shù)器就好了，下面來(lái)講一下預(yù)充電

　　預(yù)充電

　　官方解釋是 L-Bank關(guān)閉現(xiàn)有工作行，準(zhǔn)備打開新行的操作就是預(yù)充電。也就是說(shuō)，我們發(fā)送了一個(gè)行地址，有發(fā)送了一個(gè)列地址，找到了相應(yīng)的存儲(chǔ)單元之后，如果我們想訪問(wèn)另一個(gè)地址，而這個(gè)地址不在這一行內(nèi)，那么我們就需要先將這一工作行關(guān)閉，這個(gè)過(guò)程就是預(yù)充電，然而剛開始我們還沒(méi)有發(fā)送行列地址，只是先做一下初始化，以后等我們要發(fā)送行列地址的時(shí)候，為了手動(dòng)設(shè)置預(yù)充電麻煩，我們可以告訴SDRAM在每次尋址完之后自動(dòng)進(jìn)行預(yù)充電即可

　　自刷新

　　我們之所以叫DRAM，就是因?yàn)樗莿?dòng)態(tài)的，就是每隔一段時(shí)間進(jìn)行一次刷新，確保那些沒(méi)有被讀寫過(guò)的數(shù)據(jù)不會(huì)以為時(shí)間長(zhǎng)導(dǎo)致電容漏電，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，因此，每隔一段時(shí)間要對(duì)存儲(chǔ)單元進(jìn)行一次自刷新，由于存儲(chǔ)體中電容的數(shù)據(jù)有效保存期上限是64ms，因此，我們需要每64ms對(duì)所有的存儲(chǔ)體進(jìn)行一次刷新，又因?yàn)槲覀冇?^12= 4096行，那么我們來(lái)算一下，每刷新一行所要的時(shí)間是64ms/4096 = 15us 也就是說(shuō)，我們每15us需要發(fā)送一個(gè)自刷新命令

　　模式寄存器配置

　　模式寄存器的配置主要還是用于后面的讀寫操作的，我們先看上面，是地址總線，首先大家不要被他迷惑，我們的地址總線是12位的，行列共用，他前面的兩位bank地址不屬于地址總線范圍，只是在配置的時(shí)候需要用到那兩位，所以會(huì)將其加進(jìn)來(lái)，下面來(lái)一一解釋。

　　關(guān)于操作模式：操作模式可以分為突發(fā)讀，突發(fā)寫，單一寫等，突發(fā)讀就是我們?cè)诎l(fā)送了行列地址后，找到了我們要的存儲(chǔ)單元地址，對(duì)它進(jìn)行讀，如果設(shè)置了突發(fā)讀的話，那么我們?cè)谧x取第一個(gè)數(shù)據(jù)之后，如果想讀取這個(gè)存儲(chǔ)單元后面的一個(gè)存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)的話，就不必再次發(fā)送行列地址了，他會(huì)自動(dòng)的讀取接下來(lái)的數(shù)據(jù)，至于讀幾個(gè)存儲(chǔ)單元，就涉及到突發(fā)長(zhǎng)度，一般是2,4,8，全頁(yè)的方式，全頁(yè)就是將這一行上的數(shù)據(jù)一連串的全部讀出或?qū)懭?，同時(shí)還涉及到突發(fā)傳輸方式，分為順序和交錯(cuò)傳輸，順序傳輸就是依次讀后面的幾個(gè)存儲(chǔ)單元，交錯(cuò)傳輸就是隔一個(gè)讀一個(gè)。

　　關(guān)于潛伏期：潛伏期就是我們發(fā)送了行列地址后，數(shù)據(jù)并不是馬上到達(dá)數(shù)據(jù)總線，而是要經(jīng)過(guò)一段潛伏期，一般為2到3個(gè)時(shí)鐘周期，注意潛伏期不是延遲，潛伏期是發(fā)送列地址后數(shù)據(jù)已經(jīng)有效，只是還沒(méi)有達(dá)到一定的高度，或者說(shuō)是信號(hào)不夠強(qiáng)，要經(jīng)過(guò)一定的放大才能輸出，所以說(shuō)潛伏期不是延遲

　　2、工作狀態(tài)

　　初始化結(jié)束以后，SDRAM就可以正常工作了，這個(gè)時(shí)候，如果收到讀寫信號(hào)，并且收到地址，那么SDRAM就會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的尋址，并將數(shù)據(jù)作相應(yīng)處理。

　　讀狀態(tài)

　　上面說(shuō)了，SDRAM的地址是行列共用，也就是說(shuō)行地址和列地址共用那條12位的地址線，假設(shè)某個(gè)時(shí)間我們要讀一個(gè)數(shù)據(jù)，那么就先要發(fā)送12位地址線，就是行地址，當(dāng)然也要接著發(fā)送的是P-bank的地址，但是這個(gè)時(shí)候還沒(méi)有發(fā)送讀信號(hào)，讀信號(hào)要和列地址一起發(fā)送，我們稱這個(gè)狀態(tài)為行有效(RAS)

　　發(fā)送完行地址之后，就要發(fā)送列地址，但是不能馬上發(fā)送，要經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)，這個(gè)延時(shí)我們叫做行有效到列有效的延時(shí)，即Trcd

　　經(jīng)過(guò)Trcd之后，我們需要發(fā)送列地址，即列有效(CAS)，這樣我們就確定了我們邏輯單元所在的位置了，在發(fā)送列地址的同時(shí)，給SDRAM發(fā)送讀命令。有人會(huì)問(wèn)，既然地址線是行列共用，那么12位的地址線，列地址才占8位，其他的怎么用?沒(méi)錯(cuò)，列地址是只占了8位，還有第8到11位地址線沒(méi)用，這個(gè)時(shí)候我們就將其補(bǔ)零就好了，湊夠12位地址發(fā)送給SDRAM，但是我們有一位地址很重要就是A10位，A10位置1的話，那么我們每次進(jìn)行完一次讀寫，SDRAM就會(huì)自動(dòng)預(yù)充電，因此，我們一般把地址總線的第8到11位賦值0100，然后與列地址合并，再發(fā)給SDRAM。

　　發(fā)送完列地址后，也就是讀命令后，就要進(jìn)入潛伏期Tcl，剛剛說(shuō)了，數(shù)據(jù)在潛伏期里，要經(jīng)過(guò)一定的放大驅(qū)動(dòng)，達(dá)到一定的高度之后才會(huì)被輸出，這個(gè)放大的過(guò)程是在一個(gè)叫做S-AMP的通道里完成的，每一個(gè)存儲(chǔ)體都對(duì)應(yīng)一個(gè)S-AMP通道，因此從數(shù)據(jù)I/O總線上有數(shù)據(jù)輸出之前的一個(gè)時(shí)鐘上升沿開始，數(shù)據(jù)即已傳向S-AMP，也就是說(shuō)此時(shí)數(shù)據(jù)已經(jīng)被觸發(fā)，經(jīng)過(guò)一定的驅(qū)動(dòng)時(shí)間最終傳向數(shù)據(jù)總線進(jìn)行輸出，這段時(shí)間稱之為tAC。在后面的時(shí)序分析中，我們會(huì)用到這個(gè)參數(shù)，即數(shù)據(jù)在SDRAM芯片中的傳輸時(shí)間Tco,數(shù)據(jù)輸出到SDRAM數(shù)據(jù)總線上以后會(huì)有一個(gè)保持時(shí)間Toh，也是我們以后做時(shí)序分析要用到的參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)告訴我們，數(shù)據(jù)從有效前的一個(gè)時(shí)鐘周期開始算起，最大要經(jīng)過(guò)Tac時(shí)間才會(huì)輸出到數(shù)據(jù)總線，最慢需要Toh時(shí)間因此，在后面的時(shí)序分析中我們要計(jì)算，數(shù)據(jù)在SDRAM芯片的傳輸時(shí)間 Toh < Tco < Tac

　　寫狀態(tài)

　　寫狀態(tài)跟讀狀態(tài)有一點(diǎn)不同，就是寫狀態(tài)沒(méi)有潛伏期，即行有效之后，等待Trcd后發(fā)送寫命令和列地址，數(shù)據(jù)直接會(huì)寫到數(shù)據(jù)總線上，也就是說(shuō)，寫數(shù)據(jù)是零延時(shí)的，但是，即使寫數(shù)據(jù)是零延時(shí)的，但是數(shù)據(jù)要進(jìn)入SDRAM的存儲(chǔ)體還是需要時(shí)間的，這個(gè)時(shí)間叫做寫回延時(shí)Twr，試想，如果SDRAM工作在寫回延時(shí)狀態(tài)，突然來(lái)了一個(gè)預(yù)充電，那么數(shù)據(jù)是不是就不能正確的被寫入了，因此，寫回延時(shí)不能和預(yù)充電同時(shí)進(jìn)行。