SDRAM控制器的设备与VHDL实现

由以上介绍可以得出，SDRAM的读、写操作均由一系列命令组成，因此读、写操作是有时钟损耗的，工作时钟速率不等于SDRAM能达到的读、写速率。但是由于SDRAM有突发读、写模式，也就是说可以读出和写入一串地址连续的数据，从而提高了效率。当突发长度为整页时，读、写速度达到最快。随机读、写速度的计算公式为：

furite/read=工作时钟频率（HzHzHhdkkdk ss dkkdkdkd,,,m,mddddd）×数据宽度（bytes）×突发读写长度/操作所需的时钟数

为了提高存储密度，SDRAM采用硅片电容存储信息。电容总会有漏电流流过，所以为了不使信息丢失，必须定期地给电容刷新充电。外部控制逻辑必须按要求定期向内存条发出刷新命令，保证在规定的时间内对每一个单元都进行刷新。

3 初始化操作

SDRAM在上电以后必须对其进行初始化操作，具体操作如下：

（1）系统在上电后要等待100～200μs。在待时间到了以后至少执行一条空操作或者指令禁止操作。

（2）对所有芯片执行PRECHARGE命令，完成预充电。

（3）向每组内存芯片发出两条AUTO REFRESH命令，使SDRAM芯片内部的刷新计数器可以进入正常运行状态。

（4）执行LOAD MODE REGISTER命令，完成对SDRAM工作模式的设定。

完成以上步骤后，SDRAM进入正常工作状态，等待控制器对其进行读、写和刷新等操作。

4 SDRAM控制器设计

4．1 功能说明

在以SDRAM作为缓存的系统中，使用可编程器件对其进行控制具有很强的灵活性。为了使设计具有模块化和可重复使用的优点，设计了一个简化的SDRAM接口电路。这样就屏蔽掉了SDRAM操作的复杂性，而其它逻辑模块可通过接口电路对SDRAM进行访问。此外，由于整个SDRAM控制器用VHDL语言编写，只要对其进行简单的修改就可以满足不同的需求，具有很强的灵活性。

参照图2，SDRAM控制器完成的主要功能是对CMD[2：0]的命令字和ADDR端的地址进行解析，产生相应的SDRAM的控制时序。


CLK为输入的工作时钟端口。

ADDR为输入地址端口。控制器将其解析为对应的片选、页以及行、列地址。以一条MIT16LSDT6464A内存条为例，其大小为512Mbyte(2 29 byte)。数据位宽为64bit（8byte），则地址线ADDR应为26根。可以这样映射地址：ADDR[25]对应内存芯片组号；ADDR[24：23]对应页号；ADDR[22：10]对应行号；ADDR[9：0]对应列号。  
DATAIN为写入数据端口，64bit位宽。

DATAOUT为读出数据端口，64bit位宽。

RD_OE为读出数据使能端口，当其为1时，表示从下一个时钟起，数据将依次出现在DATAOUT口上。

WR_OE为写入数据使能端口，当其为1时，写入数据应该依次出现在DATAIN口上。

CMD[2:0]为命令输入端口，分别表示读、写内存等待操作。其中，CMD=“000”表示无操作，内存条交给控制器管理，定其完成刷新工作；REFRESH命令由外部逻辑指定特刷新的内存芯片信号，组号由ADDR的低位给出；LOAD_MODE命令执行内存条工作寄存器初始化工作，初始化值由DATAIN的低13位决定，内存芯片组号同样由ADDR的低位给出；同理，ADDR的低位也决定了预充电操作所对应的内存芯片组号。

CMDACK为命令应答端口，表示命令已经被执行，使外部逻辑可以向控制器发出下一个动作。

4．2 状态机

图3是SDRAM控制器的状态转移图。状态图中的各个状态内均包含一系列的子状态转移（对SDRAM内存条发出连续命令），每个子状态完成一个功能操作。初始化操作包括前面介绍的内存条初始化全过程，工作寄存器的默认值在VHDL程序中指定。以后可以通过LOAD_MODE命令改变内存条的工作模式。初始化结束后，内存条进入Idel状态，刷新计数器开始工作，控制器开始响应外部逻辑的操作请求。

刷新计数器操作是一个独立的进程（process）。刷新计数器的初值由内存芯片要求、内存条个数和控制器工作频率共同决定。例如，在本次设计中，所采用的MT48LC32M8A2内存芯片要求在64ms内夏至少刷新8196次。而MIT16LSDT6464A型内存条共有两组内存芯片，也就是要求在64ms内要发出8196×2条自刷新（AUTO REFRESH）指令。系统工作时钟为46.66MHz，因此控制单条MIT16LSDT6464A时，刷新计数器初值至多为（64ms/8196/2）×6、、46.66MHz，即182。开始工作后，每当刷新计数器值减为0，便依次向内存芯片组发出刷新命令，保证SDRAM中的数据不丢失。刷新请求是内存请求；读和写操作是外部请求。在Idel状态中有请求仲裁逻辑，当内部和外部请求同时出现时，优先保证内部请求，状态转移至刷新操作。当刷新操作结束时，重新返回Idel状态，开始响应外部请求。响应外部请求后，应答信号CMDBAK出现正脉冲。它通知外部逻辑，请求已经被响应，可以撤销请求。在刷新操作状态中，也有许数器计数，其大小等于控制器管理的内存芯片信号。记录并判断此次刷新操作所对应的内存芯片的组号，产生相应的片选信号。