前言

想用FPGA去控制一個(gè)器件，首先要學(xué)會(huì)閱讀器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)，去了解器件的功能和使用方法。下面就來(lái)梳理一下IS42R16320D的數(shù)據(jù)手冊(cè)里面本案例會(huì)用到的部分。

SDRAM時(shí)鐘

IS42R16320D時(shí)鐘支持最高200M，也就是其讀寫(xiě)速度不能超過(guò)200M，案例里面我們選擇100M時(shí)鐘進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

IS42R16320D在時(shí)鐘上升沿進(jìn)行數(shù)據(jù)捕獲。

SDRAM容量

DE2-115配備2片IS42S16320器件

2片* 210列* 213行* 4 bank * 16bit=2 * 32M * 16bit=2 * 64MB=128MB

DE10-Standard配備1片IS42S16320器件

210列 * 213行 * 4 bank * 16bit=32M * 16bit=64MB

DE1-SOC配備1片IS42S16320器件

210列 * 213行*4 bank * 16bit=32M * 16bit=64MB

注：16bit代表每個(gè)存儲(chǔ)單元位寬是16bit。

IS42R16320D功能框圖

IS42R16320D的引腳功能描述：

備注：

RASCASWE組合起來(lái)作為命令控制SDRAM的具體操作。

DQML和DQMH是數(shù)據(jù)輸入輸出掩碼，IS42R16320D數(shù)據(jù)輸入輸出一次是16bit，有的時(shí)候只需要取高字節(jié)8位或者低字節(jié)8位的時(shí)候，就可以通過(guò)這兩個(gè)信號(hào)線來(lái)控制哪個(gè)字節(jié)有效。注意DQM在寫(xiě)操作時(shí)是立即生效，DQM在讀操作時(shí)是2個(gè)時(shí)鐘周期后生效。

SDRAM的命令控制

在了解IS42R16320D命令控制之前可以先參考普通SRAM讀寫(xiě)控制原理：

下圖為32KByte容量的SRAM結(jié)構(gòu)示意圖，該SRAM有8位行地址，譯碼后生成 256根（2的8次方）行地址線，列地址線為7位，譯碼后生成128根（2的7次方）列地址線。

對(duì)SRAM進(jìn)行讀操作時(shí)，0E#和CS#為低電平，WE#為高電平，G1輸出低電平將輸入控緩沖器關(guān)閉，G2輸出高電平將輸出緩沖器打開(kāi)，通過(guò)行列地址線選中的存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)經(jīng)I/0和輸出緩沖器，最后從I/0[0:7]輸出，如下圖：

對(duì)SRAM進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，WE#和CS#為低電平，0E#為高電平，G1輸出高電平將輸入緩沖器打開(kāi)，G2輸出低電平將輸出緩沖器關(guān)閉，I/0[0:7]上的輸出經(jīng)輸出緩沖器和內(nèi)部I/0總線，最后寫(xiě)入行列地址選中的存儲(chǔ)空間中。

SDRAM的讀寫(xiě)控制跟SRAM讀寫(xiě)控制類(lèi)似，但是因?yàn)镾DRAM行列地址復(fù)用，支持突發(fā)讀寫(xiě)等等，SDRAM的讀寫(xiě)控制會(huì)更復(fù)雜一些，它主要由RASCASWE等信號(hào)組合起來(lái)作為命令控制SDRAM完成各項(xiàng)操作。

控制SDRAM的常用命令有：

以上表格參考IS42R16320D數(shù)據(jù)手冊(cè)第9頁(yè)：

下面結(jié)合IS42R16320D數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的命令發(fā)送時(shí)序圖詳細(xì)介紹SDRAM 的各項(xiàng)常見(jiàn)操作。

上電后SDRAM器件要先初始化之后才能正常工作。不同型號(hào)的SDRAM器件其初始化要求可能不同，詳細(xì)要看對(duì)應(yīng)的 datasheet。

IS42R16320D的初始化過(guò)程是至少等待200us（用于等待power和時(shí)鐘穩(wěn)定），然后進(jìn)行1次預(yù)充電（對(duì)所有bank）和8次自動(dòng)刷新操作，然后設(shè)置模式寄存器。其時(shí)序圖如下：

其中預(yù)充電命令發(fā)送以后要經(jīng)過(guò)tRP時(shí)間才能完成預(yù)充電操作，自動(dòng)刷新命令發(fā)送以后要經(jīng)過(guò)tRC時(shí)間才能完成自動(dòng)刷新操作，模式寄存器設(shè)置命令發(fā)送以后要經(jīng)過(guò)tMRD時(shí)間才能完成寄存器設(shè)定。以上命令發(fā)送后的等待時(shí)間以及最初的200us延遲時(shí)間內(nèi)，只有NOP命令有效。

其實(shí)把這個(gè)時(shí)序簡(jiǎn)化一下就是這樣：

IS42R16320D數(shù)據(jù)手冊(cè)第19頁(yè)可以看到，tRP時(shí)間是2-3個(gè)時(shí)鐘周期，頻率高一點(diǎn)（200MHz）至少要3個(gè)周期，頻率低一點(diǎn)（133MHz）至少要2個(gè)周期，為了保險(xiǎn)，在寫(xiě)Verilog代碼的時(shí)候時(shí)間可以設(shè)定比這個(gè)長(zhǎng)一點(diǎn)。比如本案例跑100M，一個(gè)時(shí)鐘周期是10ns，那么預(yù)充電等待時(shí)間可以設(shè)定為2個(gè)時(shí)鐘周期以上。

根據(jù)如下IS42R16320D數(shù)據(jù)手冊(cè)截圖可知tRP時(shí)間是2-3個(gè)時(shí)鐘周期，本案例代碼里面設(shè)定等待20個(gè)時(shí)鐘周期；

tRC時(shí)間是8-10個(gè)時(shí)鐘周期，本案例代碼里面設(shè)定等待20個(gè)時(shí)鐘周期；

tMRD時(shí)間是2個(gè)時(shí)鐘周期，本案例代碼里面設(shè)定等待20個(gè)時(shí)鐘周期；

tRCD時(shí)間是2-3個(gè)時(shí)鐘周期，本案例代碼里面設(shè)定等待3個(gè)時(shí)鐘周期。

1. 預(yù)充電

由于 SDRAM 的尋址具有獨(dú)占性，所以在進(jìn)行完讀寫(xiě)操作后，如果要對(duì)同一 L-Bank 的另一行進(jìn)行尋址，就要將原來(lái)有效(工作)的行關(guān)閉重新發(fā)送行/列地址。L-Bank 關(guān)閉現(xiàn)有工作行，準(zhǔn)備打開(kāi)新行的操作就是預(yù)充電(Precharge)。

預(yù)充電時(shí)可以是對(duì)指定bank操作，也可以是對(duì)所有bank操作。通過(guò)地址線A10和BANK線BA0、BA1來(lái)決定。如果是對(duì)指定BANK操作時(shí)，A10設(shè)置為0，并由BA0、BA1指定某一BANK。如果是對(duì)所有BANK操作，A10設(shè)置為1即可。

SDRAM在初始化階段要進(jìn)行一次預(yù)充電操作。這個(gè)操作是對(duì)所有BANK進(jìn)行的操作。

預(yù)充電要等待tRP時(shí)間。

預(yù)充電命令CSRASCAS組合是010。

自動(dòng)預(yù)充電

可設(shè)置讓芯片每次讀寫(xiě)操作后，自動(dòng)進(jìn)行預(yù)充電（在發(fā)送讀寫(xiě)命令時(shí)通過(guò)A10信號(hào)線設(shè)置）。這樣設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需要關(guān)心，只需要等待幾個(gè)時(shí)間周期即可。

注意，突發(fā)模式下，當(dāng)突發(fā)長(zhǎng)度為全頁(yè)時(shí)不支持自動(dòng)預(yù)充電命令。

2.自動(dòng)刷新

由于cell的電容很小，并且CMOS晶體管在關(guān)閉的時(shí)候，也存在漏電，這樣電容上的電荷也在隨著時(shí)間的變化，逐漸變少。時(shí)間一長(zhǎng)，存儲(chǔ)的信息就會(huì)丟失。為了解決這一問(wèn)題，具體做法是對(duì)于每個(gè)單元行，每過(guò)一段時(shí)間就進(jìn)行讀取，等放大器暫存好信息后就立刻將其寫(xiě)回行。IS42R16320D數(shù)據(jù)手冊(cè)第一頁(yè)提到每64ms內(nèi)就要對(duì)cell陣列進(jìn)行一次全面刷新。

自動(dòng)刷新要等待tRC時(shí)間。

自動(dòng)刷新命令RASCASWE組合是001。

自動(dòng)刷新期間不能做其他操作。

區(qū)別于自刷新（SELF REFRESH），這個(gè)是在SDRAM休眠下為確保數(shù)據(jù)不丟失的自動(dòng)操作。在發(fā)出自動(dòng)刷新命令時(shí)，將CKE置于無(wú)效狀態(tài)，就進(jìn)入了自刷新模式，此時(shí)不再依靠系統(tǒng)時(shí)鐘工作，而是根據(jù)內(nèi)部的時(shí)鐘進(jìn)行刷新操作。在自刷新期間除了CKE之外，所有外部信號(hào)也都是無(wú)效的(無(wú)需外部提供刷新指令)，只有重新使CKE有效才能退出自刷新模式并進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

3. 模式寄存器設(shè)置

SDRAM芯片內(nèi)部有一個(gè)邏輯控制單元，這個(gè)控制單元的相關(guān)控制參數(shù)是由MR(Mode Regisister模式寄存器)提供，SDRAM芯片每次進(jìn)行初始化時(shí)都要將重新寫(xiě)MR。MR 中設(shè)置了 SDRAM 的運(yùn)行模式：包括突發(fā)長(zhǎng)度(BL)、突發(fā)類(lèi)型(Burst Type)、CAS 延遲(CAS Latency)、運(yùn)行方式(Operating Mode)和寫(xiě)入突發(fā)模式。

將上面表格翻譯下如下：

突發(fā) burst長(zhǎng)度

突發(fā)(Burst)是指在同一行中相鄰的存儲(chǔ)單元連續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞健Ｖ恍枰谛屑せ詈螅o出一次讀寫(xiě)命令和列起始地址以及突發(fā)長(zhǎng)度，就開(kāi)始讀/寫(xiě)一定長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，列地址自動(dòng)遞增。

連續(xù)傳輸所涉及到存儲(chǔ)單元(列)的數(shù)量就是突發(fā)長(zhǎng)度(BurstLengths，簡(jiǎn)稱(chēng) BL)。常見(jiàn)的突發(fā)長(zhǎng)度是 1、2、4、8和全頁(yè)（全頁(yè)指的是一整行，比如IS42R16320D一個(gè)bank的一行是1024個(gè)存儲(chǔ)單元，那么全頁(yè)就是1024個(gè)）。

突發(fā)讀寫(xiě)完或者提前結(jié)束突發(fā)讀寫(xiě)時(shí)，需要發(fā)送突發(fā)停止命令(BURST TERMINATE)，或者發(fā)送預(yù)充電命令(PRECHARGE)。

本案例設(shè)置突發(fā)長(zhǎng)度是全頁(yè)，A0A1A2設(shè)定為111。

突發(fā)類(lèi)型

突發(fā)類(lèi)型也叫突發(fā)傳輸方式，IS42R16320D突發(fā)類(lèi)型支持順序傳輸和交錯(cuò)傳輸。順序傳輸就是連續(xù)地、依次地讀后面的幾個(gè)存儲(chǔ)單元，交錯(cuò)傳輸就是隔一個(gè)讀一個(gè)。

本案例設(shè)置為順序傳輸（只有順序傳輸支持全頁(yè)的突發(fā)長(zhǎng)度），A3設(shè)置為0。

CAS潛伏期

在讀命令發(fā)送了列地址后，數(shù)據(jù)并不是馬上到達(dá)數(shù)據(jù)總線，而是要經(jīng)過(guò)一段潛伏期，一般為2到3個(gè)時(shí)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(jù)已經(jīng)有效，只是還沒(méi)有達(dá)到一定的高度，或者說(shuō)是信號(hào)不夠強(qiáng)，要經(jīng)過(guò)一定的放大才能輸出，所以說(shuō)潛伏期不是延遲。

只有讀操作時(shí)存在CAS潛伏期。

本案例設(shè)置CAS為3，A6A5A4設(shè)置為011。

突發(fā)操作模式

操作模式可以分為突發(fā)讀/突發(fā)寫(xiě)，或者是突發(fā)讀/單一寫(xiě)等。

突發(fā)讀就是在讀命令發(fā)送了起始列地址，在讀取第一個(gè)數(shù)據(jù)之后，如果想讀取這個(gè)存儲(chǔ)單元后面的存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)的話，就不必再次發(fā)送行列地址了，他會(huì)自動(dòng)的讀取接下來(lái)的數(shù)據(jù)，至于讀幾個(gè)存儲(chǔ)單元，就涉及到突發(fā)長(zhǎng)度，比如若設(shè)置的是全頁(yè)的方式，就是將這一行上的數(shù)據(jù)一連串的全部讀出或?qū)懭搿?/p>

本案例設(shè)置為突發(fā)讀和突發(fā)寫(xiě)，A9設(shè)置為0。

設(shè)置模式寄存器操作要等待tMRD時(shí)間，一般是2個(gè)時(shí)鐘周期。

模式寄存器設(shè)置的命令RASCASWE組合是000。

4. 激活

初始化完成后，要想對(duì)某個(gè)bank進(jìn)行讀寫(xiě)操作之前，先要對(duì)這個(gè)bank中的陣列進(jìn)行尋址，首先要確定行(Row)，使之處于活動(dòng)狀態(tài)(Active)，然后再確定列。雖然之前要進(jìn)行片選和L-Bank 的地址，但它們與行有效可以同時(shí)進(jìn)行。

激活操作要等待tRCD時(shí)間，一般是2-3個(gè)時(shí)鐘周期，本案例設(shè)置為3個(gè)時(shí)鐘周期（SC_RCD=3）。

激活命令RASCASWE組合是011。

5. 讀寫(xiě)操作

行地址確定之后，就要對(duì)列地址進(jìn)行尋址了。在SDRAM中，行地址與列地址線是共用的，列地址線是 A0-A10。讀/寫(xiě)命令是通過(guò)WE#信號(hào)的狀態(tài)去區(qū)分的，當(dāng)WE#為低電平有效時(shí)是寫(xiě)命令，為高電平無(wú)效時(shí)是讀命令。列尋址信號(hào)與讀寫(xiě)命令是同時(shí)發(fā)出的。雖然列地址線與行尋址共用，當(dāng)CAS為有效電平時(shí)，地址線輸入的地址作為列地址；（當(dāng)RAS有效時(shí)，地址線輸入的地址作為行地址）。列讀寫(xiě)時(shí)序如圖所示。

本案例設(shè)置的是突發(fā)讀寫(xiě)， 突發(fā)寫(xiě)的時(shí)序圖如下：

突發(fā)讀的時(shí)序圖如下：