使用Verilog實現(xiàn)基于FPGA的SDRAM控制器

引言
---在基于FPGA的圖象采集顯示系統(tǒng)中，常常需要用到大容量、高速度的存儲器。而在各種隨機存儲器件中，SDRAM的價格低、體積小、速度快、容量大，是比較理想的器件。但SDRAM的控制邏輯比較復雜，對時序要求也十分嚴格，使用很不方便，這就要求有一個專門的控制器，使系統(tǒng)用戶能很方便地操作SDRAM。為此，本文提出了一種基于FPGA的SDRAM控制器的設計方法，并用Verilog給于實現(xiàn)，仿真結果表明通過該方法設計實現(xiàn)的控制器可以在FPGA芯片內(nèi)組成如圖1所示的SDRAM接口，從而使得系統(tǒng)用戶對SDRAM的操作非常方便。

SDRAM簡介
---SDRAM器件的管腳分為控制信號、地址和數(shù)據(jù)三類。通常一個SDRAM中包含幾個BANK，每個BANK的存儲單元是按行和列尋址的。由于這種特殊的存儲結構，SDRAM有以下幾個工作特性。
● SDRAM的初始化
---SDRAM在上電100～200μs后，必須由一個初始化進程來配置SDRAM的模式寄存器，模式寄存器的值決定著SDRAM的工作模式。
● 訪問存儲單元
---為減少I/O引腳數(shù)量，SDRAM復用地址線，所以在讀寫SDRAM時，先由ACTIVE命令激活要讀寫的BANK，并鎖存行地址，然后在讀寫指令有效時鎖存列地址。一旦BANK被激活后只有執(zhí)行一次預充命令后才能再次激活同一BANK。
● 刷新和預充
---SDRAM的存儲單元可以理解為一個電容，總是傾向于放電，因此必須有定時的刷新周期以避免數(shù)據(jù)丟失。刷新周期可由(最小刷新周期時鐘周期)計算獲得。對BANK預充電或者關閉已激活的BANK，可預充特定BANK也可同時作用于所有BANK，A10、BA0和BA1用于選擇BANK。
● 操作控制
---SDRAM的具體控制命令由一些專用控制引腳和地址線輔助完成。CS、RAS、CAS和WR在時鐘上升沿的狀態(tài)決定具體操作動作，地址線和BANK選擇控制線在部分操作動作中作為輔助參數(shù)輸入。由于特殊的存儲結構，SDRAM操作指令比較多，不像SRAM一樣只有簡單的讀寫。

SDRAM控制器的設計實現(xiàn)
● 總體設計框圖和外部接口信號
---SDRAM控制器與外部的接口示意圖由圖1給出，控制器右端接口信號均為直接與SDRAM對應管腳相連的信號，此處不做介紹。控制器左端的接口信號為與FPGA相連的系統(tǒng)控制接口信號，其中，CLK133為系統(tǒng)時鐘信號，RESET_N為復位信號，ADDR為系統(tǒng)給出的SDRAM地址信號，DAIN是系統(tǒng)用于寫入SDRAM的數(shù)據(jù)信號，F(xiàn)PGA_RD和FPGA_WR為系統(tǒng)讀、寫請求信號(1為有效，0為無效)，SDRAM_FREE是SDRAM的空閑狀態(tài)標示信號(0為空閑，1為忙碌)，F(xiàn)DATA_ENABLE是控制器給系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收發(fā)指示信號(為0時，無法對SDRAM進行數(shù)據(jù)收發(fā)；為1時，若是系統(tǒng)讀操作，則系統(tǒng)此時可從DAOUT接收SDRAM的數(shù)據(jù)，若是寫操作，則系統(tǒng)此時可以通過DAIN發(fā)送數(shù)據(jù)給SDRAM)。
---SDRAM控制器的結構組成如圖2所示，包括系統(tǒng)控制接口模塊、CMD命令解析模塊、命令響應模塊、數(shù)據(jù)通路模塊共四個模塊。系統(tǒng)控制接口模塊用于接收系統(tǒng)的控制信號，進而產(chǎn)生不同的CMD命令組合；CMD命令解析模塊用于接收CMD命令并解碼成操作指令；命令響應模塊用于接收操作指令并產(chǎn)生SDRAM的操作動作；數(shù)據(jù)通路模塊則用于控制數(shù)據(jù)的有效輸入輸出。

---SDRAM控制器設計的狀態(tài)機實現(xiàn)原理如圖3所示，包含了9個狀態(tài)，其中從Precharge到Mode set為SDRAM上電后的初始化過程，其余狀態(tài)為SDRAM的正常讀寫及刷新操作過程。

● 各模塊的設計
---(1) 系統(tǒng)控制接口模塊
---該模塊內(nèi)含了初始化機制和系統(tǒng)指令分析機制。初始化機制不僅要完成對SDRAM的初始化配置，還要完成對控制器的初始化配置，使控制器與外部SDRAM的工作模式一致。其過程如下：由計數(shù)器控制在系統(tǒng)上電200μs左右后，先進行SDRAM的初始化配置工作，由一個Precharge all bank指令完成對所有BANK的預充，接著是多個Refresh指令，然后是模式配置指令LOAD_MODE，完成SDRAM的工作模式設置。之后進行控制器的初始化配置工作，先發(fā)出指令LOAD_REG1給控制器載入模式字，再發(fā)出LOAD_REG2指令載入控制器的刷新計數(shù)器值，完成控制器初始化配置。
---上述初始化過程結束后，系統(tǒng)指令分析機制才可接收并分析系統(tǒng)的讀寫信號和地址信息，以及從下個模塊反饋回來的CMDACK信號，并產(chǎn)生對應的CMD命令和SADDR地址信息給CMD命令解析模塊。通過程序設置，實現(xiàn)了根據(jù)初始化配置的參數(shù)來確定在讀寫到特定時刻發(fā)出Precharge或者Refresh的CMD指令，從而簡化了系統(tǒng)的控制。而每當收到CMDACK為1時，表示CMD指令已經(jīng)發(fā)出并有效，此時就要發(fā)出NOP命令(CMD=000)。要說明的是，SADDR是分時復用的，在初始化載入模式時，SADDR用以傳輸用戶自己定義的模式字內(nèi)容；而在正常的讀寫期間，SADDR作為地址線傳輸SDRAM所需的行、列和塊地址。此外，系統(tǒng)指令分析機制會根據(jù)控制器對SDRAM的操作處于什么樣的狀態(tài)，而反饋SDRAM_FREE和FDATA_ENABLE信號給系統(tǒng)用戶。

---(2) CMD命令解析模塊
---該模塊對CMD指令進行判斷，其結果就是輸出相應的操作指令信號給命令響應模塊。例如，CMD為001時，則會輸出do_read信號為1，CMD為010時，則會輸出do_write信號為1，在同一時刻，只會輸出一種有效的的操作指令。
------此外，該模塊內(nèi)含用以預設某些模式參數(shù)的模式寄存器，主要包括三類：第一類是SDRAM模式控制寄存器，在LOAD_MODE指令時，將該寄存器的值送入SDRAM的模式寄存器中，以控制SDRAM的工作模式。第二類是SDRAM控制器的參數(shù)寄存器(LOAD_REG1)，使得SDRAM控制器的工作方式與外部的SDRAM器件的工作方式匹配。第三類是SDRAM的刷新周期控制寄存器，該寄存器預設用戶定義的自動刷新計數(shù)值，用于SDRAM的刷新周期預設。上述三類寄存器的預設值都是系統(tǒng)控制接口模塊在初始化時通過SADDR傳送給來的。
---(3) 命令響應模塊
---該模塊的作用是根據(jù)從CMD命令解析模塊得到的操作指令，做出符合SDRAM讀寫規(guī)范的操作動作，來進行用戶期望的操作；給出數(shù)據(jù)選通信號OE，來控制數(shù)據(jù)通路模塊(寫操作時OE為1，讀操作時OE為0)。此外，該模塊把系統(tǒng)非復用的地址ADDR處理為SDRAM復用的地址，分時送給SA、BA。程序中地址復用方法為：
---assign raddr = ADDR[ROWSTART + ROWSIZE -1:ROWSTART] //raddr為行地址
---assign caddr = ADDR[COLSTART + COLSIZE -1:COLSTART] //caddr為列地址
---assign baddr= ADDR[BANKSTART +`BANKSIZE -1:BANKSTART]//baddr為BANK地址
---(ROWSTART、COLSTART、BANKSTART分別為行、列、塊在ADDR中的起始位)
---在程序中，WRITEA和READA的CMD指令實際隱含了ACTIVE命令，所以該模塊在收到do_write或do_read指令后，會先進行激活動作，經(jīng)過初始化配置規(guī)定的CAS延遲時間之后再進行讀寫動作。例如初始化時，模式字規(guī)定CAS＝2，BURST LENGTH=PAGE，則從命令接口模塊收到do_write=1后，會先做出激活動作并給出行地址(發(fā)出RAS_N=0，CAS_N=1，WE_N=1，SA=raddr)，過2個時鐘延遲后，再做出寫動作并給出列地址(發(fā)出RAS_N=1，CAS_N=0，WE_N=0，SA=caddr)。
---此外，收到各類操作指令后，該模塊會反饋給CMD命令解析模塊cmdack信號為1，并最終反饋到系統(tǒng)控制接口模塊的CMDACK信號為1，如果沒有收到任何操作指令，則cmdack=0，CMDACK信號為0。
---(4) 數(shù)據(jù)通路模塊
---該模塊受OE信號的控制，使數(shù)據(jù)的進出和相應的操作指令在時序上同步。OE為1時，數(shù)據(jù)可由DQ腳寫入SDRAM，OE為0時，數(shù)據(jù)可從SDRAM的DQ腳讀出。
---控制器的使用及仿真時序
---根據(jù)系統(tǒng)設計對SDRAM讀寫要求的不同，對控制器進行簡單的參數(shù)修改(主要是初始化時模式內(nèi)容字的設置)，即可使對SDRAM的控制符合自己的要求。該控制器使得系統(tǒng)對SDRAM的操作非常簡單。以寫操作為例，初始化結束后，只要SDRAM空閑，系統(tǒng)就會收到SDRAM_FREE有效信號，此時可以發(fā)出FPGA_WR指令，同時給出ADDR地址信息，在收到反饋的FDATA_ENABLE有效后,系統(tǒng)將數(shù)據(jù)通過DAIN寫到SDRAM中去，即完成寫操作，系統(tǒng)無須關心SDRAM的刷新和預充。仿真時序圖如圖4、圖5和圖6所示，在寫和讀時序中，CAS=2，BURST LENGTH=PAGE，DC表示無關(Don’t care)。

仿真結果表明，該控制器可以使得系統(tǒng)對SDRAM的控制非常簡單、方便。

結束語
---在實際應用中，使用ALTERA公司的Cyclone FPGA器件進行設計，設計輸入采用Verilog來完成，實現(xiàn)了上述的SDRAM控制器接口電路。此外，由于采用了參數(shù)化設計思想，對特定容量的SDRAM的特定工作模式而言，只要根據(jù)其器件參數(shù)進行設定，該控制器就可以適用特定SDRAM的特定工作模式，具有一定的通用性。