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關于SDRAM控制器的基礎知識詳解

FPGA之家 ? 來源:FPGA之家 ? 作者:FPGA之家 ? 2021-04-19 09:46 ? 次閱讀
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FPGA視頻圖像處理系統中,經常需要使用到SDRAM作為視頻圖像緩存。SDRAM控制器可以分為上電初始化,自動刷新,讀操作和寫操作這四個部分,他們之間的轉換可以通過狀態機來控制。下面分別實現這幾個部分。

1.SDRAM上電初始化

SDRAM上電初始化時序如下圖所示。

c2878e84-9ff2-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

由時序圖可知初始化大概的過程為:上電后等待電源VDD和時鐘信號穩定100μs(期間命令為空命令),同時在100μs內設置CKE(時鐘使能)信號為高。隨后對所有Bank發送預充電(PRECH ARGE)命令,發送兩次自動刷新(REFRESH)命令,最后發送裝載模式寄存器(LOAD MODE REGISTER)命令,并將設置寄存器的值傳入地址總線A0~A11。

c295a2a8-9ff2-11eb-8b86-12bb97331649.png

上述過程的實現可以通過線性序列機來實現。即需要對初始化過程時間進行計數,當時間到達時就執行某個命令。下面是部分代碼。

1.計時器

c2a5df56-9ff2-11eb-8b86-12bb97331649.png

2.命令執行時間設置

c2b13130-9ff2-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

3.對應時間執行對應命令

c2cd462c-9ff2-11eb-8b86-12bb97331649.png

2.SDRAM自動刷新

同樣給出自動刷新的時序圖。

c3055f30-9ff2-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

過程比較簡單:首先對所有Bank預充電,然后發送兩次自動刷新命令。

c3508924-9ff2-11eb-8b86-12bb97331649.png

同樣可以使用線性序列機的方法來實現,這里就不重復了。但需要添加一個刷新狀態標志。ref_opt_done=1表示刷新完成,ref_opt=1表示正在刷新。

c35c7dec-9ff2-11eb-8b86-12bb97331649.png

3.SDRAM寫操作

c36e59e0-9ff2-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

從時序圖上看首先發出激活命令,并給出行地址Bank地址;隨后發出寫命令,并指定寫入Bank,起始列地址和寫入數據;最后進行預充電,關閉所有Bank。這里每次突發寫入4個數據,即突發長度為4,突發長度可以在之前初始化的模式寄存器中設置。

c37f345e-9ff2-11eb-8b86-12bb97331649.png

同樣使用序列機的實現方法,在寫操作中也需要添加寫操作完成狀態標志,和過程狀態標志。此外只有當寫入突發長度數據的時候我們才使能數據線輸入有效,其他時刻讓數據線保持高阻態,所以要添加一個寫數據狀態標志Wr_data_valid=1時表示正在寫數據。

c6ad4be8-9ff2-11eb-8b86-12bb97331649.png

4.SDRAM讀操作

c6c199c2-9ff2-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

與寫操作類似,但是我們輸入讀命令的時候,數據并不是立刻輸出,而是要經過一個CAS_Latency后輸出。這個延時也可以通過模式寄存器的配置來調整。我們同樣需要給出讀操作完成、讀操作過程,讀出突發數據的有效區間。

c6f9adb2-9ff2-11eb-8b86-12bb97331649.png

c7088134-9ff2-11eb-8b86-12bb97331649.png

5.SDRAM控制器設計

首先SDRAM上電后進入空閑狀態,初始化完成后進入刷新狀態,然后根據輸入命令進行轉換,實際上狀態機的控制對于刷新操作,讀/寫操作是有一個優先級的:刷新操作》寫操作》讀操作。即假設寫命令和刷新命令同時到來時先執行刷新操作。下圖為狀態機的狀態轉移圖。具體實現可參考完整代碼。

c73766de-9ff2-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

由于SDRAM需要固定時間間隔刷新一次,我們還得考慮一個刷新定時器,固定時間產生一個刷新請求。

c7617398-9ff2-11eb-8b86-12bb97331649.png

最后我們還需要考慮如果在讀操作的時候,產生了刷新請求或寫請求怎么辦呢?寫操作的時候,產生了刷新請求或讀請求怎么辦?或者在刷新操作時產生了讀/寫請求怎么辦?

對于刷新請求的突然到來我們采取記住刷新標志,等待當前任務完成后進行刷新操作。

在刷新操作時讀/寫請求突然到來,我們也采取記住讀/寫標志,等待當前任務完成后進行讀/寫操作。

但是對于在讀/寫操作時外部讀/寫請求的到來,我們選擇了忽略這次請求。部分代碼如下。

c76b6e20-9ff2-11eb-8b86-12bb97331649.jpg

由于視頻信號數據讀入讀出都是連續不斷的,因此在某些時刻會導致讀寫的遺漏,但一般會在SDRAM讀出寫入前加上一個FIFO進行緩存控制數據的讀寫,當寫FIFO中數據大于一次突發長度時,使能寫信號;當讀FIFO中數據小于突發長度時,使能讀信號,就可以解決這個問題。
編輯:lyn

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原文標題:SDRAM控制器設計

文章出處:【微信號:zhuyandz,微信公眾號:FPGA之家】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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