零基礎學FPGA （二十二） SDR SDRAM（理論篇）

　　其實說實話這一個月來也沒怎么看新知識，大體梳理了一下以前學過的知識，回顧了一下SOPC的學習。對于SOPC的學習我打算暫時先放一放，因為前面還有一個要寫的沒有完成，也是一直以來無法寫起的一個題目，就是今天我們要寫的SDRAM的操作。等寫完這個，我們再回到SOPC，帶領大家調USB2.0!

　　由于SDRAM本身就是一個比較復雜的東西，之前小墨在學這方面東西的時候感覺很是吃力，于是那時候便暫時放下了，知道年后這段時間，小墨又重新拾起這個知識點，想要一口氣把它調通了，再往下看其他的東西。學SDRAM，理論要懂，代碼設計，仿真調試，時序分析，時序約束，都很重要。之前由于只是把代碼寫好了，對時序分析和時序約束這方面的知識還只是空白，所以怎么調都調不通。開學以來，小墨仔仔細細的研究了一下時序，也看了不少的資料，對時序也算是有所見解，摸透了倒是不敢說，至少是懂了那些公式的由來，輸入輸出延時的計算，相位偏移的計算，以及源同步時序模型的理解等等，也做了不少的筆記，親手將其數(shù)值計算過，然后再將其添加到我的SDRAM工程之中，經過好幾天的調試，穩(wěn)定不穩(wěn)定倒是不敢說，因為同一個程序換到不同的開發(fā)板上，如果不經過重新的時序約束，是很難跑起來的，小墨這幾天就親身經歷過，同一段代碼在兩塊板子上不能同時跑，要換約束參數(shù)，當然這是受PCB板的布局，SDRAM和FPGA的型號的影響，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老師的代碼，感覺這段代碼寫的很經典，借助特權老師推薦的《高手進階，終極內存技術》這一篇文章，可以很好的理解SDRAM的工作原理，我是這樣學習這段代碼的，首先將《高手進階，終極內存技術》看一遍，當然第一遍不好看懂，然后結合代碼再一遍一遍的去看工作原理，慢慢的就會明白特權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，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，然后是仿真調試，這是一個漫長的過程，要有耐心，再然后就是學習時序，親手將約束值算出來，再根據時序報告進行微調，直到有一天看到自己從頭到尾做出來的工程，能后順利的跑起來，心中便會產生極大的成就感，那么恭喜你，你在FPGA設計方面可以算是一個小高手了(和剛開始學的人相比)。

　　接下來的文章我打算這么安排，第一篇，也就是這一篇說一下理論，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的設計做一個架構，就是用狀態(tài)機的方式，描述每一個過程，給代碼編寫做一個清晰的思路，同時解讀一下特權老師的代碼和其中比較難懂的設計方法，最后一篇文章我們從靜態(tài)時序分析寫起，一直寫到SDRAM的收斂，其中包括建立保持時間的余量問題，輸入輸出的延時的計算，SDRAM時鐘相位的計算，以及timequest的使用，時序報告的查看方法等，大概在一兩周的時間寫完，也希望大家多多支持，你們的支持，更是我前進的最好動力!

　　一、從結構說起

　　先來說一下SDRAM的結構吧。當然沒有人家講的那么專業(yè)，只說說我的理解。

　　1、P-bank

　　SDRAM，也即我們的內存，我們的電腦，手機等設備都離不開我們的內存。一個設備運行速度的快慢，內存起到關鍵性的作用，就像我們的電腦，開機之后一般都是把一些應用程序加載到內存里運行，因為RAM的讀寫速度要遠遠大于ROM，而我們的SDRAM，即同步動態(tài)隨機存儲器，就是通過不斷地刷新，充電，防止電容電量的丟失，從而保留住數(shù)據。與CPU交換數(shù)據，根據CPU位寬的不同，要相應選擇不同的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，才能構成64位的位寬，那么由這4片SDRAM 構成的芯片集合，我們稱之為物理bank，即P-bank，CPU通過控制SDRAM的片選信號，控制相應的芯片

　　2、L-bank

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

　　這樣一來，CPU通過片選信號選中一片SDRAM，然后訪問某一個L-bank，通過行列地址確定某一個存儲單元，將存儲單元里的數(shù)據讀出來送到CPU。這樣看來，芯片的位寬就是我們的存儲單元的位寬，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 內存容量

　　我們來算一下SDRAM的芯片容量，一片SDRAM芯片假設有4個L-bank，2^12行，2^8列，那么它就含有4 x 2^12 x 2^8個存儲單元，又因為每個存儲單元里面有16位數(shù)據，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P-bank里面是4片SDRAM的話，那么我們的內存容量就是4 x 16 = 64MB

　　我們再算一下，假如我們的SDRAM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，內存容量越大。這就說明了，為什么我們的臺式電腦要用位寬小的芯片，因為臺式電腦空間大，位寬越小，用的芯片越多，內存也就越大，相反，我們的手機就必須用大位寬的芯片，從而節(jié)約空間，但是付出了內存容量小的代價，這也說明了為什么我們的手機或者筆記本電腦不如臺式機運行速度快的原因，在內存方面差了一大截

　　下面是我用畫圖做的一個框架，幫助大家理解

　　二、工作原理其實不難

　　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需要經過一個200us的穩(wěn)定延時，這部分在代碼部分直接做一個計數(shù)器就好了，下面來講一下預充電

　　預充電

　　官方解釋是 L-Bank關閉現(xiàn)有工作行，準備打開新行的操作就是預充電。也就是說，我們發(fā)送了一個行地址，有發(fā)送了一個列地址，找到了相應的存儲單元之后，如果我們想訪問另一個地址，而這個地址不在這一行內，那么我們就需要先將這一工作行關閉，這個過程就是預充電，然而剛開始我們還沒有發(fā)送行列地址，只是先做一下初始化，以后等我們要發(fā)送行列地址的時候，為了手動設置預充電麻煩，我們可以告訴SDRAM在每次尋址完之后自動進行預充電即可

　　自刷新

　　我們之所以叫DRAM，就是因為它是動態(tài)的，就是每隔一段時間進行一次刷新，確保那些沒有被讀寫過的數(shù)據不會以為時間長導致電容漏電，從而導致數(shù)據丟失，因此，每隔一段時間要對存儲單元進行一次自刷新，由于存儲體中電容的數(shù)據有效保存期上限是64ms，因此，我們需要每64ms對所有的存儲體進行一次刷新，又因為我們有2^12= 4096行，那么我們來算一下，每刷新一行所要的時間是64ms/4096 = 15us 也就是說，我們每15us需要發(fā)送一個自刷新命令

　　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，只是在配置的時候需要用到那兩位，所以會將其加進來，下面來一一解釋。

　　關于操作模式 ： 操作模式可以分為突發(fā)讀，突發(fā)寫，單一寫等，突發(fā)讀就是我們在發(fā)送了行列地址后，找到了我們要的存儲單元地址，對它進行讀，如果設置了突發(fā)讀的話，那么我們在讀取第一個數(shù)據之后，如果想讀取這個存儲單元后面的一個存儲單元的數(shù)據的話，就不必再次發(fā)送行列地址了，他會自動的讀取接下來的數(shù)據，至于讀幾個存儲單元，就涉及到突發(fā)長度，一般是2,4,8，全頁的方式，全頁就是將這一行上的數(shù)據一連串的全部讀出或寫入，同時還涉及到突發(fā)傳輸方式，分為順序和交錯傳輸，順序傳輸就是依次讀后面的幾個存儲單元，交錯傳輸就是隔一個讀一個。

　　關于潛伏期 ： 潛伏期就是我們發(fā)送了行列地址后，數(shù)據并不是馬上到達數(shù)據總線，而是要經過一段潛伏期，一般為2到3個時鐘周期，注意潛伏期不是延遲，潛伏期是發(fā)送列地址后數(shù)據已經有效，只是還沒有達到一定的高度，或者說是信號不夠強，要經過一定的放大才能輸出，所以說潛伏期不是延遲

　　2、工作狀態(tài)

　　初始化結束以后，SDRAM就可以正常工作了，這個時候，如果收到讀寫信號，并且收到地址，那么SDRAM就會進行相應的尋址，并將數(shù)據作相應處理。

　　讀狀態(tài)

　　上面說了，SDRAM的地址是行列共用，也就是說行地址和列地址共用那條12位的地址線，假設某個時間我們要讀一個數(shù)據，那么就先要發(fā)送12位地址線，就是行地址，當然也要接著發(fā)送的是P-bank的地址，但是這個時候還沒有發(fā)送讀信號，讀信號要和列地址一起發(fā)送，我們稱這個狀態(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，要經過一定的延時，這個延時我們叫做行有效到列有效的延時，即Trcd

　　經過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，給SDRAM發(fā)送讀命令。有人會問，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?沒錯，列地址是只占了8位，還有第8到11位地址線沒用，這個時候我們就將其補零就好了，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，那么我們每次進行完一次讀寫，SDRAM就會自動預充電，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，就要進入潛伏期Tcl，剛剛說了，數(shù)據在潛伏期里，要經過一定的放大驅動，達到一定的高度之后才會被輸出，這個放大的過程是在一個叫做S-AMP的通道里完成的，每一個存儲體都對應一個S-AMP通道 ，因此從數(shù)據I/O總線上有數(shù)據輸出之前的一個時鐘上升沿開始，數(shù)據即已傳向S-AMP，也就是說此時數(shù)據已經被觸發(fā)，經過一定的驅動時間最終傳向數(shù)據總線進行輸出，這段時間稱之為tAC。在后面的時序分析中，我們會用到這個參數(shù)，即數(shù)據在SDRAM芯片中的傳輸時間Tco,數(shù)據輸出到SDRAM數(shù)據總線上以后會有一個保持時間Toh，也是我們以后做時序分析要用到的參數(shù)，這兩個參數(shù)告訴我們，數(shù)據從有效前的一個時鐘周期開始算起，最大要經過Tac時間才會輸出到數(shù)據總線，最慢需要Toh時間因此，在后面的時序分析中我們要計算，數(shù)據在SDRAM芯片的傳輸時間 Toh < Tco < Tac

　　寫狀態(tài)

　　寫狀態(tài)跟讀狀態(tài)有一點不同，就是寫狀態(tài)沒有潛伏期，即行有效之后，等待Trcd后發(fā)送寫命令和列地址，數(shù)據直接會寫到數(shù)據總線上，也就是說，寫數(shù)據是零延時的，但是，即使寫數(shù)據是零延時的，但是數(shù)據要進入SDRAM的存儲體還是需要時間的，這個時間叫做寫回延時Twr，試想，如果SDRAM工作在寫回延時狀態(tài)，突然來了一個預充電，那么數(shù)據是不是就不能正確的被寫入了，因此，寫回延時不能和預充電同時進行。

　　三、參數(shù)總結

　　好了，說了這么多，是不是感覺SDRAM的操作并不難，那么我們就來總結一下之前出現(xiàn)的一些參數(shù)吧，這些參數(shù)的消化，能夠幫我們更好的理解SDRAM的工作原理

　　1、RAS ： 行有效

　　2、Trcd ： 行地址到列地址的延時時間，單位是周期數(shù)，一般為2到3個時鐘周期

　　3、CAS ： 列有效，同時發(fā)送讀寫命令

　　4、 Tcl ： 潛伏期，發(fā)生在讀狀態(tài)，數(shù)據有效到出現(xiàn)在數(shù)據總線上的延時，單位為周期數(shù)

　　5、 Tac ： 數(shù)據從存儲單元里出來之后，已經進入S-AMP通道進行驅動與放大，到出現(xiàn)在數(shù)據總線上的時間

　　6、 Toh ： 數(shù)據出現(xiàn)在數(shù)據總線上，并保持一段時間

　　7、 Trp ： 在發(fā)出預充電命令之后，要經過一段時間才能允許發(fā)送RAS行有效命令打開新的工作行

　　8 、Twr ： 寫狀態(tài)時的寫回延時，寫入的數(shù)據進入SDRAM存儲單元的時間

　　那么理論部分就到這里吧，下一篇文章將會寫一下整個操作SDRAM的架構圖和代碼解析，寫了有好幾個小時，謝謝大家~