零基础学FPGA （二十三） SDR SDRAM（架构篇）

　　今天我们来讲的是SDRAM的架构以及设计，这也是小墨第一次接触架构，也谈不上给大家讲，就是把我理解的当做一个笔记分享给大家，有什么错误也请积极指正，毕竟我也是没有老师教，也是自己摸索的，难免有些不合理的地方。
　　一、SDRAM 工作部分
　　1、上电初始化
　　


　　我们先来看第一部分，上电初始化。上电初始化我们知道，上电之后我们需要等待200us的稳定期，这段时间我们可以用一个定时器来计数，这没什么问题，然后进入的是预充电部分，这个时候，预充电的时候，sdram_cmd模块会检测此时的初始化状态机的状态，若处于预充电状态，那么sdram_cmd模块向SDRAM发命令，具体命令sdram的datasheet里面有，发的是一个precharge，即预充电，发完命令之后，需要等待一段时间，来确保这个命令被SDRAM捕获，这等待的时间，特权老师用的方式我觉得很好
　　


　　用一个宏定义，当计数器计数到相应的时间后，预充电完成参数置位 即end_trp 置位，下面的用法也是一样，即当初始化状态机进入预充电状态i_pre时，计数器开启，开始计数，计数完成，也就是预充电结束的时候，计数器复位，这个复位的控制，可以用case语句来检测初始化状态机的状态，在相应的状态给予相应的复位与置位
　　接下来是8个自刷新，操作和预充电一样
　　到了模式寄存器的配置阶段，我们需要选定L_bank，以及SDRAM工作模式的配置，当sdram_cmd模块检测到初始化状态机到达模式寄存器配置阶段时，我们的给SDRAM的sdram_bank端口赋相应的值，并且设置地址总线
　　


　　当初始化结束的时候，标志位init_done置位，告诉工作状态机，初始化状态机已经结束，进入工作状态。下面是我用word做的上电初始化的状态转移图
　　


　　


　　2、自刷新
　　初始化结束之后，SDRAM为了防止数据丢失，要进行自刷新，上一篇文章已经讲过了，刷新2^12行需要64ms，也就是每15us刷新一行，也就是我们需要每15us发送一次自刷新请求给SDRAM工作状态机，状态机一旦检测到自刷新请求信号，就告诉sdram工作模块，然后工作模块就向SDRAM发送自刷新命令，即CMD_A_PEF
　　


　　下面是自刷新的状态转移图
　　


　　3、读写状态
　　初始化结束以后，SDRAM就处于工作状态，每15us进行一次自刷新，这个时候，如果想要读或写数据的话，即向工作状态机sdram_work_FSM发送读写请求，如果是读请求，那么工作状态机进入行有效状态，也即激活状态w_active，此时，sdram_cmd模块会发送行有效命令，即CMD_ACTIVEA
　　同时，我们需要将我们的12位行地址送给我们的sdram地址总线sdram_addr，然后便是一个等待时间段，TRCD，这个时间段里我们是不需要做什么工作的，只需等待TRCD结束
　　TRCD结束的时候，工作状态机进入读状态，此时，我们需要发送列地址选中我们的存储单元，并告诉sdram_cmd模块发送读命令，这个过程是读命令和列地址同时发送的。我们知道，读命令发出之后，会进入潜伏期TCL。
　　这个状态我们也不需要做什么，因为我们在模式寄存器配置阶段已经将各种参数配置好了，包括什么潜伏期长，突发读写长度之类的，等到潜伏期结束之后，SDRAM会自动进行读数据，而且读的数据长度会跟我们之前设置的一样长，这个读数据的状态需要时间，即我们的工作状态机工作在w_rd状态，等待8个时钟周期之后，所有的数据都已经被送到数据总线。
　　这个时候我们需要等一会，因为我们在发送读命令的时候，A10是置1的，也就是说，每次读写完之后要自动进行预充电，从而才可以打开新的工作行，这时，我们的工作状态机即进入了w_rwait状态，等到预充电结束，才完成一次读操作，返回初始状态，等待下一个请求的到来
　　


　　下面是读写状态转移图，由于写状态只是没有潜伏期，写完之后有一个写回延时，其他地方与读状态相同，我就不再介绍了
　　


　　


　　二、模拟信号产生部分
　　我们先来想一下我们的要想测试我们的SDRAM控制器是否正确，都需要什么测试参数吧
　　1、 首先我们需要发送读写地址对吧，但是我们需要有一个间隔，即每隔一段时间发送一次写地址，为什么呢?因为我们之前在模式寄存器配置的时候，定义了突发读写的长度为8，也就是我们发送一个地址，那么sdram会在连续的8个地址中连续写8次数，我们如果要再发送地址，需要等到这8次地址写完之后再发送下一个地址这个延时大概为640ns，也就是计数器为什么要计到3f的原因，下一个地址的发送就需要比之前的地址大8了，比如第一次我发送的是0地址，那,隔一段时间之后，我就需要发送8地址了。
　　读地址也一样，当写地址写满了之后，让地址清零，从零地址读起即可
　　


　　还有再解释一下，特权老师为什么定义22位的模拟地址，22位的模拟地址包括2位的L_BANK的地址，12位行地址和8位列地址。有人会问，为什么是行地址和列地址分开呢，不是行列地址共用吗?注意这里只是模拟地址，到时候我们给地址总线赋值的时候是分开赋值的
　　2、然后我们需要产生递增数据，每640ns产生8个数即可
　　


　　3、在发送递增数据之前，我们需要发送写请求信号，这个写请求信号是要发送到我们接下来要讲的FIFO里面，发送写请求之后，数据进入FIFO，注意，这里的写请求是发送给FIFO的，不是发送到SDRAM的，SDRAM的写请求是由FIFO发出去的
　　


　　有人会问，写请求有了，是不是还该有读请求，要知道，我们的数据是先写到FIFO里面，再有SDRAM对FIFO进行读操作，将写进FIFO的数据再送到SDRAM，而我们从SDRAM中读回的数据，同样要写到FIFO里面，然后我们再从FIFO里面读。是不是有人会问，这不是多此一举吗?其实不然，要知道我们的SDRAM是工作在100M的时钟频率下，而且是有相位偏移的，对我们FPGA来说是一个异步时钟，如果我们不采用FIFO的形式，那很容易发生亚稳态问题，导致系统不稳定