關(guān)于SDRAM控制器的基礎(chǔ)知識(shí)詳解

在FPGA視頻圖像處理系統(tǒng)中，經(jīng)常需要使用到SDRAM作為視頻圖像緩存。SDRAM控制器可以分為上電初始化，自動(dòng)刷新，讀操作和寫(xiě)操作這四個(gè)部分，他們之間的轉(zhuǎn)換可以通過(guò)狀態(tài)機(jī)來(lái)控制。下面分別實(shí)現(xiàn)這幾個(gè)部分。

1.SDRAM上電初始化

SDRAM上電初始化時(shí)序如下圖所示。

由時(shí)序圖可知初始化大概的過(guò)程為：上電后等待電源VDD和時(shí)鐘信號(hào)穩(wěn)定100μs（期間命令為空命令），同時(shí)在100μs內(nèi)設(shè)置CKE（時(shí)鐘使能）信號(hào)為高。隨后對(duì)所有Bank發(fā)送預(yù)充電（PRECH ARGE）命令，發(fā)送兩次自動(dòng)刷新（REFRESH）命令，最后發(fā)送裝載模式寄存器（LOAD MODE REGISTER）命令，并將設(shè)置寄存器的值傳入地址總線A0~A11。

上述過(guò)程的實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)線性序列機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。即需要對(duì)初始化過(guò)程時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)時(shí)間到達(dá)時(shí)就執(zhí)行某個(gè)命令。下面是部分代碼。

1.計(jì)時(shí)器

2.命令執(zhí)行時(shí)間設(shè)置

3.對(duì)應(yīng)時(shí)間執(zhí)行對(duì)應(yīng)命令

2.SDRAM自動(dòng)刷新

同樣給出自動(dòng)刷新的時(shí)序圖。

過(guò)程比較簡(jiǎn)單：首先對(duì)所有Bank預(yù)充電，然后發(fā)送兩次自動(dòng)刷新命令。

同樣可以使用線性序列機(jī)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，這里就不重復(fù)了。但需要添加一個(gè)刷新?tīng)顟B(tài)標(biāo)志。ref_opt_done=1表示刷新完成，ref_opt=1表示正在刷新。

3.SDRAM寫(xiě)操作

從時(shí)序圖上看首先發(fā)出激活命令，并給出行地址Bank地址；隨后發(fā)出寫(xiě)命令，并指定寫(xiě)入Bank，起始列地址和寫(xiě)入數(shù)據(jù)；最后進(jìn)行預(yù)充電，關(guān)閉所有Bank。這里每次突發(fā)寫(xiě)入4個(gè)數(shù)據(jù)，即突發(fā)長(zhǎng)度為4，突發(fā)長(zhǎng)度可以在之前初始化的模式寄存器中設(shè)置。

同樣使用序列機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法，在寫(xiě)操作中也需要添加寫(xiě)操作完成狀態(tài)標(biāo)志，和過(guò)程狀態(tài)標(biāo)志。此外只有當(dāng)寫(xiě)入突發(fā)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)的時(shí)候我們才使能數(shù)據(jù)線輸入有效，其他時(shí)刻讓數(shù)據(jù)線保持高阻態(tài)，所以要添加一個(gè)寫(xiě)數(shù)據(jù)狀態(tài)標(biāo)志W(wǎng)r_data_valid=1時(shí)表示正在寫(xiě)數(shù)據(jù)。

4.SDRAM讀操作

與寫(xiě)操作類似，但是我們輸入讀命令的時(shí)候，數(shù)據(jù)并不是立刻輸出，而是要經(jīng)過(guò)一個(gè)CAS_Latency后輸出。這個(gè)延時(shí)也可以通過(guò)模式寄存器的配置來(lái)調(diào)整。我們同樣需要給出讀操作完成、讀操作過(guò)程，讀出突發(fā)數(shù)據(jù)的有效區(qū)間。

5.SDRAM控制器設(shè)計(jì)

首先SDRAM上電后進(jìn)入空閑狀態(tài)，初始化完成后進(jìn)入刷新?tīng)顟B(tài)，然后根據(jù)輸入命令進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)際上狀態(tài)機(jī)的控制對(duì)于刷新操作，讀/寫(xiě)操作是有一個(gè)優(yōu)先級(jí)的：刷新操作》寫(xiě)操作》讀操作。即假設(shè)寫(xiě)命令和刷新命令同時(shí)到來(lái)時(shí)先執(zhí)行刷新操作。下圖為狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。具體實(shí)現(xiàn)可參考完整代碼。

由于SDRAM需要固定時(shí)間間隔刷新一次，我們還得考慮一個(gè)刷新定時(shí)器，固定時(shí)間產(chǎn)生一個(gè)刷新請(qǐng)求。

最后我們還需要考慮如果在讀操作的時(shí)候，產(chǎn)生了刷新請(qǐng)求或?qū)懻?qǐng)求怎么辦呢？寫(xiě)操作的時(shí)候，產(chǎn)生了刷新請(qǐng)求或讀請(qǐng)求怎么辦？或者在刷新操作時(shí)產(chǎn)生了讀/寫(xiě)請(qǐng)求怎么辦？

對(duì)于刷新請(qǐng)求的突然到來(lái)我們采取記住刷新標(biāo)志，等待當(dāng)前任務(wù)完成后進(jìn)行刷新操作。

在刷新操作時(shí)讀/寫(xiě)請(qǐng)求突然到來(lái)，我們也采取記住讀/寫(xiě)標(biāo)志，等待當(dāng)前任務(wù)完成后進(jìn)行讀/寫(xiě)操作。

但是對(duì)于在讀/寫(xiě)操作時(shí)外部讀/寫(xiě)請(qǐng)求的到來(lái)，我們選擇了忽略這次請(qǐng)求。部分代碼如下。

由于視頻信號(hào)數(shù)據(jù)讀入讀出都是連續(xù)不斷的，因此在某些時(shí)刻會(huì)導(dǎo)致讀寫(xiě)的遺漏，但一般會(huì)在SDRAM讀出寫(xiě)入前加上一個(gè)FIFO進(jìn)行緩存控制數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)，當(dāng)寫(xiě)FIFO中數(shù)據(jù)大于一次突發(fā)長(zhǎng)度時(shí)，使能寫(xiě)信號(hào)；當(dāng)讀FIFO中數(shù)據(jù)小于突發(fā)長(zhǎng)度時(shí)，使能讀信號(hào)，就可以解決這個(gè)問(wèn)題。
編輯：lyn