使用Verilog实现基于FPGA的SDRAM控制器

引言

在基于FPGA的图象采集显示系统中，常常需要用到大容量、高速度的存储器。而在各种随机存储器件中，SDRAM的价格低、体积小、速度快、容量大，是比较理想的器件。但SDRAM的控制逻辑比较复杂，对时序要求也十分严格，使用很不方便，这就要求有一个专门的控制器，使系统用户能很方便地操作SDRAM。为此，本文提出了一种基于FPGA的SDRAM控制器的设计方法，并用Verilog给于实现，仿真结果表明通过该方法设计实现的控制器可以在FPGA芯片内组成如图1所示的SDRAM接口，从而使得系统用户对SDRAM的操作非常方便。



SDRAM简介

SDRAM器件的管脚分为控制信号、地址和数据三类。通常一个SDRAM中包含几个BANK，每个BANK的存储单元是按行和列寻址的。由于这种特殊的存储结构，SDRAM有以下几个工作特性。

● SDRAM的初始化

SDRAM在上电100～200μs后，必须由一个初始化进程来配置SDRAM的模式寄存器，模式寄存器的值决定着SDRAM的工作模式。

● 访问存储单元

为减少I/O引脚数量，SDRAM复用地址线，所以在读写SDRAM时，先由ACTIVE命令激活要读写的BANK，并锁存行地址，然后在读写指令有效时锁存列地址。一旦BANK被激活后只有执行一次预充命令后才能再次激活同一BANK。

● 刷新和预充

SDRAM的存储单元可以理解为一个电容，总是倾向于放电，因此必须有定时的刷新周期以避免数据丢失。刷新周期可由(最小刷新周期÷时钟周期)计算获得。对BANK预充电或者关闭已激活的BANK，可预充特定BANK也可同时作用于所有BANK，A10、BA0和BA1用于选择BANK。

● 操作控制

SDRAM的具体控制命令由一些专用控制引脚和地址线辅助完成。CS、RAS、CAS和WR在时钟上升沿的状态决定具体操作动作，地址线和BANK选择控制线在部分操作动作中作为辅助参数输入。由于特殊的存储结构，SDRAM操作指令比较多，不像SRAM一样只有简单的读写。

SDRAM控制器的设计实现

● 总体设计框图和外部接口信号

SDRAM控制器与外部的接口示意图由图1给出，控制器右端接口信号均为直接与SDRAM对应管脚相连的信号，此处不做介绍。控制器左端的接口信号为与FPGA相连的系统控制接口信号，其中，CLK133为系统时钟信号，RESET_N为复位信号，ADDR为系统给出的SDRAM地址信号，DAIN是系统用于写入SDRAM的数据信号，FPGA_RD和FPGA_WR为系统读、写请求信号(1为有效，0为无效)，SDRAM_FREE是SDRAM的空闲状态标示信号(0为空闲，1为忙碌)，FDATA_ENABLE是控制器给系统的数据收发指示信号(为0时，无法对SDRAM进行数据收发；为1时，若是系统读操作，则系统此时可从DAOUT接收SDRAM的数据，若是写操作，则系统此时可以通过DAIN发送数据给SDRAM)。

SDRAM控制器的结构组成如图2所示，包括系统控制接口模块、CMD命令解析模块、命令响应模块、数据通路模块共四个模块。系统控制接口模块用于接收系统的控制信号，进而产生不同的CMD命令组合；CMD命令解析模块用于接收CMD命令并解码成操作指令；命令响应模块用于接收操作指令并产生SDRAM的操作动作；数据通路模块则用于控制数据的有效输入输出。



SDRAM控制器设计的状态机实现原理如图3所示，包含了9个状态，其中从Precharge到Mode set为SDRAM上电后的初始化过程，其余状态为SDRAM的正常读写及刷新操作过程。



● 各模块的设计

(1) 系统控制接口模块

该模块内含了初始化机制和系统指令分析机制。初始化机制不仅要完成对SDRAM的初始化配置，还要完成对控制器的初始化配置，使控制器与外部SDRAM的工作模式一致。其过程如下：由计数器控制在系统上电200μs左右后，先进行SDRAM的初始化配置工作，由一个Precharge all bank指令完成对所有BANK的预充，接着是多个Refresh指令，然后是模式配置指令LOAD_MODE，完成SDRAM的工作模式设置。之后进行控制器的初始化配置工作，先发出指令LOAD_REG1给控制器载入模式字，再发出LOAD_REG2指令载入控制器的刷新计数器值，完成控制器初始化配置。

上述初始化过程结束后，系统指令分析机制才可接收并分析系统的读写信号和地址信息，以及从下个模块反馈回来的CMDACK信号，并产生对应的CMD命令和SADDR地址信息给CMD命令解析模块。通过程序设置，实现了根据初始化配置的参数来确定在读写到特定时刻发出Precharge或者Refresh的CMD指令，从而简化了系统的控制。而每当收到CMDACK为1时，表示CMD指令已经发出并有效，此时就要发出NOP命令(CMD=000)。要说明的是，SADDR是分时复用的，在初始化载入模式时，SADDR用以传输用户自己定义的模式字内容；而在正常的读写期间，SADDR作为地址线传输SDRAM所需的行、列和块地址。此外，系统指令分析机制会根据控制器对SDRAM的操作处于什么样的状态，而反馈SDRAM_FREE和FDATA_ENABLE信号给系统用户。