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【文(wén)章(zhāng)】SDRAM控制器_自(zì)動(dòng)刷新設計(jì)

發(fà)布(bù)时(shí)間(jiān):2021-07-01   作者(zhě):admin 浏覽量(liàng):

本(běn)文(wén)为(wèi)明(míng)德揚原創录(lù)用(yòng)文(wén)章(zhāng),轉(zhuǎn)载請注明(míng)出(chū)处!


SDRAM控制器設計(jì)的(de)主(zhǔ)要(yào)功能(néng)是(shì)能(néng)对(duì)SDRAM進(jìn)行读(dú)写操作,本(běn)工程实現(xiàn)了(le)SDRAM的(de)初始化(huà)和(hé)自(zì)動(dòng)刷新两(liǎng)个(gè)功能(néng)。


初始化(huà)功能(néng)在(zài)前(qián)一(yī)章(zhāng)的(de)分(fēn)享中(zhōng)已經(jīng)進(jìn)行了(le)比較詳细(xì)的(de)描述,感(gǎn)興趣的(de)同(tóng)学可(kě)以(yǐ)搜索学習下(xià),文(wén)後(hòu)曆史文(wén)章(zhāng)里(lǐ)有(yǒu)鍊(liàn)接。今天(tiān)我(wǒ)们(men)主(zhǔ)要(yào)讨論SDRAM的(de)自(zì)動(dòng)刷新的(de)功能(néng)以(yǐ)及(jí)实現(xiàn)


一(yī)、原理功能(néng)


1、为(wèi)什麼(me)刷新


我(wǒ)们(men)都知道(dào)SDRAM是(shì)使用(yòng)電(diàn)容保存信(xìn)息的(de),随着使用(yòng)时(shí)間(jiān)的(de)增长,電(diàn)容的(de)電(diàn)量(liàng)会(huì)有(yǒu)損失,因(yīn)此(cǐ)在(zài)操作SDRAM时(shí)要(yào)進(jìn)行刷新。SDRAM的(de)刷新分(fēn)为(wèi)两(liǎng)種(zhǒng),分(fēn)别是(shì)Auto Refresh和(hé)Self Refresh。本(běn)次(cì)实验(yàn)采用(yòng)的(de)是(shì)Auto Refresh。


2、刷新間(jiān)隔


查詢器件(jiàn)手(shǒu)册得到(dào)(64ms, 8192-cycle (commercial and industrial)),对(duì)8192行全(quán)部(bù)進(jìn)行一(yī)次(cì)刷新时(shí)間(jiān)是(shì)64ms。一(yī)次(cì)刷新操作是(shì)对(duì)4个(gè)bank的(de)同(tóng)一(yī)行進(jìn)行刷新,所(suǒ)以(yǐ)一(yī)次(cì)刷新間(jiān)隔是(shì)64ms/8192=7.813us。但是(shì)當刷新时(shí)間(jiān)到(dào)来(lái)时(shí),SDRAM可(kě)能(néng)正(zhèng)在(zài)進(jìn)行读(dú)写,那(nà)麼(me)需要(yào)本(běn)次(cì)读(dú)突發(fà)或(huò)者(zhě)写突發(fà)完成(chéng)之後(hòu)才能(néng)進(jìn)行刷新操作;那(nà)麼(me)一(yī)次(cì)读(dú)突發(fà)为(wèi)7拍,写突發(fà)为(wèi)6拍,时(shí)間(jiān)是(shì)60ns或(huò)者(zhě)70ns (SDRAM工作时(shí)鐘(zhōng)是(shì)100MHz,1拍是(shì)10ns),同(tóng)时(shí)考慮到(dào)读(dú)写命令都是(shì)仲裁模块(kuài)發(fà)出(chū),会(huì)有(yǒu)一(yī)定(dìng)的(de)延时(shí),所(suǒ)以(yǐ)本(běn)次(cì)实验(yàn)刷新間(jiān)隔設为(wèi)7.5us,留出(chū)足够的(de)时(shí)間(jiān)。


3、刷新时(shí)序




刷新时(shí)序如(rú)上(shàng)图(tú)所(suǒ)示。这(zhè)里(lǐ)需要(yào)注意(yì),此(cǐ)时(shí)序图(tú)發(fà)了(le)两(liǎng)次(cì)Auto Refresh命令,这(zhè)種(zhǒng)被(bèi)稱为(wèi)背靠背技術(shù);但其实背靠背技術(shù)并不(bù)是(shì)必須的(de),可(kě)以(yǐ)只(zhī)發(fà)一(yī)次(cì)命令。

二(èr)、FPGA实現(xiàn)

1、模块(kuài)架構


2、信(xìn)号(hào)说(shuō)明(míng)


信(xìn)号(hào)

说(shuō)明(míng)

clk

刷新模块(kuài)工作时(shí)鐘(zhōng)(100MHz)

rst_n

複位信(xìn)号(hào)

ref_en

刷新使能(néng)信(xìn)号(hào),由(yóu)仲裁模块(kuài)發(fà)出(chū)

ref_done

刷新完成(chéng)信(xìn)号(hào)

ref_bus

刷新數據(jù)總(zǒng)線(xiàn),由(yóu)SDRAM信(xìn)号(hào)組成(chéng)

rt_flag

計(jì)數到(dào)最(zuì)大值信(xìn)号(hào)

rt_clear

rt_flag清(qīng)除信(xìn)号(hào)

rt_en

計(jì)數器使能(néng)信(xìn)号(hào)

init_done

初始化(huà)完成(chéng)信(xìn)号(hào)

sel_sm

選擇SDRAM輸出(chū)信(xìn)号(hào)

ref_en

刷新使能(néng)信(xìn)号(hào)

sdr_bus

頂层模块(kuài)數據(jù)總(zǒng)線(xiàn)

sdr_clk

SDRAM工作时(shí)鐘(zhōng)

sdr_cke

时(shí)鐘(zhōng)使能(néng)

sdr_cs_n

片(piàn)選信(xìn)号(hào)

sdr_cas_n

行選通(tòng)

sdr_ras_n

列選通(tòng)

sdr_we_n

写使能(néng)

sdr_ba

bank地(dì)址

sdr_a

SDRAM地(dì)址總(zǒng)線(xiàn)

3、頂层模块(kuài)參考代(dài)碼

module sdram_top(

clk    ,

sys_rst_n  ,

//其它(tā)信(xìn)号(hào),舉例dout

local_addr,

local_data,

local_q,

local_rdreq,

local_wrreq,

local_reday,

local_rdata_vaild,

init_done,

sdr_cke,

sdr_cs_n,

sdr_ras_n,

sdr_cas_n,

sdr_we_n,

sdr_ba,

sdr_a,

sdr_dq,

sdr_dqm,

sdr_clk

);

input clk;

input sys_rst_n;

input [24:0] local_addr;

input [63:0] local_data;

output [63:0] local_q;

input local_rdreq;

input local_wrreq;

output local_reday;

output local_rdata_vaild;

output init_done;

output sdr_cke;

output sdr_cs_n;

output sdr_ras_n;

output sdr_cas_n;

output sdr_we_n;

output [1:0] sdr_ba;

output [12:0] sdr_a;

output [15:0] sdr_dq;

output [1:0] sdr_dqm;

output sdr_clk;

wire phy_clk;

wire rst_n;

wire rt_flag;

wire rt_clear;

wire rt_en;

wire ref_en;

wire ref_done;

wire sel_sm;

wire [19:0] sdr_bus;

wire [19:0] init_bus;

wire [19:0] ref_bus;

assign {sdr_cke, sdr_cs_n, sdr_ras_n, sdr_cas_n, sdr_we_n, sdr_ba, sdr_a} = sdr_bus;

assign sdr_dqm = 2'b00;

sdram_init sdram_init_inst(

.clk            (phy_clk)       ,

.rst_n          (rst_n)       ,

//其它(tā)信(xìn)号(hào),舉例dout

.init_done      (init_done)       ,

.init_bus       (init_bus)

);

arbitrate arbitrate_inst(

.clk(phy_clk),

.rst_n(rst_n),

.rt_en(rt_en),

.rt_flag(rt_flag),

.init_done(init_done),

.ref_done(ref_done),

.ref_en(ref_en),

.sel_sm(sel_sm),

.rt_clear(rt_clear)

);

ref_timer ref_timer_inst(

.clk(phy_clk),

.rst_n(rst_n),

.rt_en(rt_en),

.rt_clear(rt_clear),

.rt_flag(rt_flag)

);

sdram_ref sdram_ref_inst(

.clk(phy_clk),

.rst_n(rst_n),

.ref_en(ref_en),

.ref_done(ref_done),

.ref_bus(ref_bus)

);

sdram_mux sdram_mux_inst(

.clk(phy_clk),

.rst_n(rst_n),

.init_bus(init_bus),

.ref_bus(ref_bus),

.sdr_bus(sdr_bus),

.sel_sm(sel_sm)

);

my_pll PLL(

.areset (~sys_rst_n) ,

.inclk0 (clk) ,

.c0 (phy_clk) ,

.c1 (sdr_clk) ,

.locked (rst_n)

);


endmodule



4、模块(kuài)功能(néng)

(1)PLL模块(kuài)

my_pll模块(kuài)産生(shēng)SDRAM和(hé)控制器工作时(shí)鐘(zhōng)。

輸入(rù)的(de)50M时(shí)鐘(zhōng),經(jīng)过(guò)PLL模块(kuài)後(hòu),会(huì)産生(shēng)两(liǎng)个(gè)100M、相位相差180度(dù)的(de)时(shí)鐘(zhōng)。其中(zhōng)一(yī)个(gè)用(yòng)于(yú)輸出(chū)給(gěi)外(wài)部(bù)SDRAM,另(lìng)一(yī)个(gè)用(yòng)于(yú)其它(tā)模块(kuài)的(de)工作时(shí)鐘(zhōng)。關(guān)于(yú)此(cǐ)模块(kuài)的(de)原理,可(kě)以(yǐ)參考《基于(yú)FPGA的(de)SDRAM控制器設計(jì)—初始化(huà)設計(jì)》中(zhōng)的(de)“SDRAM中(zhōng)心(xīn)对(duì)齊原則”部(bù)分(fēn)進(jìn)行学習。

另(lìng)外(wài),本(běn)模块(kuài)鎖定(dìng)輸入(rù)时(shí)鐘(zhōng)後(hòu),将産生(shēng)LOCK指示信(xìn)号(hào),此(cǐ)信(xìn)号(hào)用(yòng)于(yú)其它(tā)模块(kuài)的(de)複位信(xìn)号(hào)。我(wǒ)们(men)可(kě)以(yǐ)理解(jiě)为(wèi),在(zài)时(shí)鐘(zhōng)稳定(dìng)之前(qián),其它(tā)模块(kuài)都处于(yú)複位狀态。


(2)仲裁模块(kuài)

arbitrate即仲裁模块(kuài),因(yīn)为(wèi)SDRAM控制时(shí)可(kě)能(néng)進(jìn)行刷新或(huò)者(zhě)读(dú)写操作(後(hòu)續介紹),但是(shì)刷新时(shí)不(bù)能(néng)進(jìn)行读(dú)写操作,因(yīn)此(cǐ)需要(yào)一(yī)个(gè)仲裁模块(kuài),对(duì)这(zhè)些控制命令進(jìn)行管(guǎn)理,使刷新命令优先(xiān)級最(zuì)高(gāo)。


當初始化(huà)完成(chéng)之後(hòu)仲裁模块(kuài)發(fà)出(chū)rt_en信(xìn)号(hào),當仲裁模块(kuài)收(shōu)刷新定(dìng)时(shí)器計(jì)时(shí)到(dào)最(zuì)大值时(shí)的(de)标(biāo)志信(xìn)号(hào)rt_flag後(hòu),發(fà)出(chū)刷新使能(néng)信(xìn)号(hào)ref_en,并發(fà)出(chū)rt_clear信(xìn)号(hào)。


其代(dài)碼如(rú)下(xià)所(suǒ)示:


module arbitrate(clk, rst_n, rt_en, rt_flag, init_done, ref_done, ref_en, sel_sm, rt_clear);


input clk;

input rst_n;

input rt_flag;

input init_done;

input ref_done;

output reg rt_en;

output reg ref_en;

output reg sel_sm;

output reg rt_clear;

localparam SM_INIT = 1'b0;

localparam SM_REF  = 1'b1;

always @(posedge clk or negedge rst_n)begin

if(!rst_n)begin

rt_en <= 1'b0;

end

else if(init_done)begin

rt_en <= 1'b1;

end

else begin

rt_en <= rt_en;

end

end

always @(posedge clk or negedge rst_n)begin

if(!rst_n)begin

ref_en <= 1'b0;

end

else if(rt_flag)begin

ref_en <= 1'b1;

end

else if(ref_done)begin

ref_en <= 1'b0;

end

else begin

ref_en <= ref_en;

end

end

always @(posedge clk or negedge rst_n)begin

if(!rst_n)begin

sel_sm <= SM_INIT;

end

else if(init_done)begin

sel_sm <= SM_REF;

end

else begin

sel_sm <= sel_sm;

end

end

always @(posedge clk or negedge rst_n)begin

if(!rst_n)begin

rt_clear <= 1'b0;

end

else if(rt_flag)begin

rt_clear <= 1'b1;

end

else begin

rt_clear <= 1'b0;

end

end

endmodule

(3)刷新定(dìng)时(shí)器模块(kuài)


ref_timer即刷新定(dìng)时(shí)器模块(kuài),主(zhǔ)要(yào)是(shì)計(jì)數刷新間(jiān)隔时(shí)間(jiān),當計(jì)數到(dào)最(zuì)大值时(shí)拉高(gāo)rt_flag信(xìn)号(hào)。當收(shōu)到(dào)rt_clear信(xìn)号(hào)时(shí)将rt_flag信(xìn)号(hào)拉低。


代(dài)碼如(rú)下(xià)所(suǒ)示:



module ref_timer(clk, rst_n, rt_en, rt_clear, rt_flag);


input clk;

input rst_n;

input rt_en;

input rt_clear;

output reg rt_flag;

parameter CNT_MAX = 750;

reg [9:0] cnt;

wire add_cnt;

wire end_cnt;


always @(posedge clk or negedge rst_n)begin

if(!rst_n)begin

cnt <= 0;

end

else if(add_cnt)begin

if(end_cnt)

cnt <= 0;

else

cnt <= cnt + 1;

end

end


assign add_cnt = rt_en;

assign end_cnt = add_cnt && cnt==CNT_MAX - 1 ;

always @(posedge clk or negedge rst_n)begin

if (!rst_n)

rt_flag <= 0;

else if (add_cnt && cnt == CNT_MAX - 1)

rt_flag <= 1;

else if (rt_clear)

rt_flag <= 0;

else

rt_flag <= rt_flag;

end

endmodule




(4)初始化(huà)模块(kuài)

sdr_init初始化(huà)模块(kuài),在(zài)《基于(yú)FPGA的(de)SDRAM控制器設計(jì)—初始化(huà)設計(jì)》中(zhōng)我(wǒ)们(men)有(yǒu)比較詳细(xì)的(de)介紹,可(kě)以(yǐ)認真(zhēn)学習一(yī)下(xià)。



(5)刷新模块(kuài)

sdr_ref刷新模块(kuài),收(shōu)到(dào)刷新使能(néng)信(xìn)号(hào)後(hòu)進(jìn)行刷新操作,在(zài)前(qián)文(wén)中(zhōng)“刷新时(shí)序”一(yī)节(jié)有(yǒu)講述原因(yīn)。本(běn)代(dài)碼通(tòng)过(guò)一(yī)个(gè)計(jì)數器cnt对(duì)时(shí)序進(jìn)行計(jì)數,并産生(shēng)了(le)两(liǎng)个(gè)刷新命令;刷新完成(chéng)後(hòu),讓ref_done信(xìn)号(hào)置1个(gè)时(shí)鐘(zhōng)的(de)高(gāo)電(diàn)平,表(biǎo)示刷新完成(chéng)。

代(dài)碼如(rú)下(xià):


module sdram_ref(clk, rst_n, ref_en, ref_done, ref_bus);


input clk;

input rst_n;

input ref_en;

output reg ref_done;

output [19:0] ref_bus;

parameter CNT_MAX = 9;

// parameter TRP = 2;

// parameter TRFC = 7;

parameter NOP = 4'b0111;

parameter PRE = 4'b0010;

parameter REF = 4'b0001;

reg [3:0] cnt;

reg [3:0] sdr_cmd;

reg [1:0] sdr_ba;

reg [12:0] sdr_a;

wire add_cnt;

wire end_cnt;

assign sdr_cke = 1'b1;

assign ref_bus = {sdr_cke, sdr_cmd, sdr_ba, sdr_a};

always @(posedge clk or negedge rst_n)begin

if(!rst_n)begin

cnt <= 0;

end

else if(add_cnt)begin

if(end_cnt)

cnt <= 0;

else

cnt <= cnt + 1;

end

end


assign add_cnt = ref_en;

assign end_cnt = add_cnt && cnt==CNT_MAX - 1 ;

always @(posedge clk or negedge rst_n)begin

if(!rst_n)begin

sdr_cmd <= NOP;

end

else if(ref_en && add_cnt && cnt == 0)begin

sdr_cmd <= PRE;

end

else if(add_cnt && cnt == 2 - 1)begin

sdr_cmd <= REF;

end

else begin

sdr_cmd <= NOP;

end

end

always @(posedge clk or negedge rst_n)begin

if(!rst_n)begin

sdr_a <= 13'd0;

end

else if(ref_en && add_cnt && cnt == 0)begin

sdr_a[10] <= 1'b1;

end

else begin

sdr_a <= 13'd0;

end

end

always @(posedge clk or negedge rst_n)begin

if(!rst_n)begin

ref_done <= 1'b0;

end

else if(add_cnt && cnt == CNT_MAX - 1)begin

ref_done <= 1'b1;

end

else begin

ref_done <= 1'b0;

end

end

endmodule



6、選擇模块(kuài)


sdr_mux模块(kuài),由(yóu)于(yú)初始化(huà)模块(kuài)和(hé)刷新模块(kuài)都会(huì)發(fà)出(chū)SDRAM的(de)信(xìn)号(hào),所(suǒ)以(yǐ)需要(yào)一(yī)个(gè)多(duō)路(lù)器来(lái)進(jìn)行選擇。由(yóu)仲裁模块(kuài)的(de)sel_sm来(lái)控制輸出(chū)init_bus信(xìn)号(hào)還(huán)是(shì)ref_bus;當初始化(huà)沒(méi)完成(chéng)时(shí)輸出(chū)init_bus,初始化(huà)完成(chéng)时(shí)輸出(chū)ref_bus。


代(dài)碼如(rú)下(xià)所(suǒ)示:


module sdram_mux(clk, rst_n, init_bus, ref_bus, sdr_bus, sel_sm);


input clk;

input rst_n;

input [19:0] init_bus;

input [19:0] ref_bus;

output reg [19:0] sdr_bus;

input sel_sm;

localparam SM_INIT = 1'b0;

localparam SM_REF  = 1'b1;

always @(posedge clk or negedge rst_n)begin

if(!rst_n)begin

sdr_bus <= init_bus;

end

else if(sel_sm == SM_INIT)begin

sdr_bus <= init_bus;

end

else if(sel_sm == SM_REF)begin

sdr_bus <= ref_bus;

end

else begin

sdr_bus <= sdr_bus;

end

end


endmodule


三(sān)、仿真(zhēn)测試


最(zuì)後(hòu)对(duì)代(dài)碼進(jìn)行仿真(zhēn),仿真(zhēn)文(wén)件(jiàn)參考:sdram_top_tb.v。

modelsim生(shēng)成(chéng)的(de)報告如(rú)下(xià)所(suǒ)示,出(chū)現(xiàn)如(rú)下(xià)LOG信(xìn)息,说(shuō)明(míng)成(chéng)功。



以(yǐ)上(shàng)就(jiù)是(shì)SDRAM控制器的(de)完整設計(jì),更(gèng)多(duō)FPGA資料,關(guān)注明(míng)德揚

   拓展(zhǎn)閱读(dú)
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