作者：曹華 鄧彬

        摘 要：介紹了SDRAM的特點(diǎn)和工作原理，提出了一種基于FPGA的SDRAM控制器的設(shè)計(jì)方法，使用該方法實(shí)現(xiàn)的控制器可非常方便地對(duì)SDRAM進(jìn)行控制。

        關(guān)鍵詞：SDRAM；控制器；Verilog；狀態(tài)機(jī)

        引言

        在基于FPGA的圖象采集顯示系統(tǒng)中，常常需要用到大容量、高速度的存儲(chǔ)器。而在各種隨機(jī)存儲(chǔ)器件中，SDRAM的價(jià)格低、體積小、速度快、容量大，是比較理想的器件。但SDRAM的控制邏輯比較復(fù)雜，對(duì)時(shí)序要求也十分嚴(yán)格，使用很不方便，這就要求有一個(gè)專門的控制器，使系統(tǒng)用戶能很方便地操作SDRAM。為此，本文提出了一種基于FPGA的SDRAM控制器的設(shè)計(jì)方法，并用Verilog給于實(shí)現(xiàn)，仿真結(jié)果表明通過該方法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的控制器可以在FPGA芯片內(nèi)組成如圖1所示的SDRAM接口，從而使得系統(tǒng)用戶對(duì)SDRAM的操作非常方便。

        SDRAM簡(jiǎn)介

        SDRAM器件的管腳分為控制信號(hào)、地址和數(shù)據(jù)三類。通常一個(gè)SDRAM中包含幾個(gè)BANK，每個(gè)BANK的存儲(chǔ)單元是按行和列尋址的。由于這種特殊的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，SDRAM有以下幾個(gè)工作特性。

        ● SDRAM的初始化

        SDRAM在上電100～200μs后，必須由一個(gè)初始化進(jìn)程來(lái)配置SDRAM的模式寄存器，模式寄存器的值決定著SDRAM的工作模式。

        ● 訪問存儲(chǔ)單元

        為減少I/O引腳數(shù)量，SDRAM復(fù)用地址線，所以在讀寫SDRAM時(shí)，先由ACTIVE命令激活要讀寫的BANK，并鎖存行地址，然后在讀寫指令有效時(shí)鎖存列地址。一旦BANK被激活后只有執(zhí)行一次預(yù)充命令后才能再次激活同一BANK。

        ● 刷新和預(yù)充

        SDRAM的存儲(chǔ)單元可以理解為一個(gè)電容，總是傾向于放電，因此必須有定時(shí)的刷新周期以避免數(shù)據(jù)丟失。刷新周期可由(最小刷新周期÷時(shí)鐘周期)計(jì)算獲得。對(duì)BANK預(yù)充電或者關(guān)閉已激活的BANK，可預(yù)充特定BANK也可同時(shí)作用于所有BANK，A10、BA0和BA1用于選擇BANK。

        ● 操作控制

        SDRAM的具體控制命令由一些專用控制引腳和地址線輔助完成。CS、RAS、CAS和WR在時(shí)鐘上升沿的狀態(tài)決定具體操作動(dòng)作，地址線和BANK選擇控制線在部分操作動(dòng)作中作為輔助參數(shù)輸入。由于特殊的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，SDRAM操作指令比較多，不像SRAM一樣只有簡(jiǎn)單的讀寫。

        SDRAM控制器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

        ● 總體設(shè)計(jì)框圖和外部接口信號(hào)

        SDRAM控制器與外部的接口示意圖由圖1給出，控制器右端接口信號(hào)均為直接與SDRAM對(duì)應(yīng)管腳相連的信號(hào)，此處不做介紹。控制器左端的接口信號(hào)為與FPGA相連的系統(tǒng)控制接口信號(hào)，其中，CLK133為系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)，RESET_N為復(fù)位信號(hào)，ADDR為系統(tǒng)給出的SDRAM地址信號(hào)，DAIN是系統(tǒng)用于寫入SDRAM的數(shù)據(jù)信號(hào)，F(xiàn)PGA_RD和FPGA_WR為系統(tǒng)讀、寫請(qǐng)求信號(hào)(1為有效，0為無(wú)效)，SDRAM_FREE是SDRAM的空閑狀態(tài)標(biāo)示信號(hào)(0為空閑，1為忙碌)，F(xiàn)DATA_ENABLE是控制器給系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收發(fā)指示信號(hào)(為0時(shí)，無(wú)法對(duì)SDRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)；為1時(shí)，若是系統(tǒng)讀操作，則系統(tǒng)此時(shí)可從DAOUT接收SDRAM的數(shù)據(jù)，若是寫操作，則系統(tǒng)此時(shí)可以通過DAIN發(fā)送數(shù)據(jù)給SDRAM)。

        SDRAM控制器的結(jié)構(gòu)組成如圖2所示，包括系統(tǒng)控制接口模塊、CMD命令解析模塊、命令響應(yīng)模塊、數(shù)據(jù)通路模塊共四個(gè)模塊。系統(tǒng)控制接口模塊用于接收系統(tǒng)的控制信號(hào)，進(jìn)而產(chǎn)生不同的CMD命令組合；CMD命令解析模塊用于接收CMD命令并解碼成操作指令；命令響應(yīng)模塊用于接收操作指令并產(chǎn)生SDRAM的操作動(dòng)作；數(shù)據(jù)通路模塊則用于控制數(shù)據(jù)的有效輸入輸出。

        SDRA