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FPGA零基础学习精选|SDRSDRAM驱动设计

原创 FPGA技术江湖 2022-07-19 08:02
【TI资料】专为高压系统设计的新型MCU 如何增强能源基础设施的实时控制？

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高级设计：SDR SDRAM 驱动设计


作者：郝旭帅  校对：陆辉


本篇实现基于叁芯智能科技的SANXIN -B01 FPGA开发板，以下为配套的教程，如有入手开发板，可以登录官方淘宝店购买，还有配套的学习视频。

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随机访问存储器（RAM）分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）。由于动态存储器存储单元的结构非常简单，所以它能达到的集成度远高于静态存储器。但是动态存储器的存取速度不如静态存储器快。


RAM的动态存储单元是利用电容可以存储电荷的原理制成的。由于存储单元的机构能够做得很简单，所以在大容量、高集成度的RAM中得到了普遍的应用。但是由于电容的容量很小，而漏电流又不可能绝对等于零，所以电荷保存的时间有限。为了及时补充漏掉的电荷以避免存储的信号丢失，必须定时地给电容补充电荷，通常将这种操作称为刷新。


行列地址线被选中后，数据线（data_bit）直接和电容相连接。当写入时，数据线给电容充放电；读取时，电容将数据线拉高或者置低。


SDRAM 的全称即同步动态随机存储器（Synchronous Dynamic Random Access Memory）；这里的同步是指其时钟频率与对应控制器的系统时钟频率相同，并且内部命令的发送与数据传输都是以该时钟为基准；动态是指存储阵列需要不断的刷新来保证数据不丢失。


SDR SDRAM中的SDR是指单数据速率，即每一根数据线上，每个时钟只传输一个bit的数据。SDR SDRAM的时钟频率可以达到100MHz以上，按照100MHz的速率计算，一片16位数据宽度的SDR SDRAM的读写数据带宽可以达到1.6Gbit/s。


SANXIN – B01的开发板上有一个容量为256Mbit（16M x 16bit）的SDR SDRAM（H57V2562GTR）。其内部存储时，分为了4个独立的区域（BANK），每个bank为4Mx16bit的存储空间；每个bank在存储时，按照二维的方式进行存储，利用行列来进行确定，有8192行（13bit地址线），有512列（9bit地址线），8192 x 512为4M的存储量。


在进行指定某个地址时，共需要2位bank地址，13位行地址，9位列地址，合计共24位地址。但是在SDR SDRAM的指定某个地址时，行地址和列地址不是同时给出，SDR SDRAM采用行列地址线复用，所以地址线合计为2（bank 地址）+13（行、列地址复用）。


SDR SDRAM需要时钟端和时钟使能端。SDR SDRAM所有的操作都依靠于此时钟；当时钟使能端无效时，SDR SDRAM自动忽略时钟上升沿。


SDR SDRAM拥有四个命令控制线，分别为CS、RAS、CAS、WE。组成的命令表如下：


在写入数据时，有时会出现不想对某8bit进行写入，就可以采用DQM进行控制。


SDR SDRAM的内部机构为：


由于SDR SDRAM为DRAM，内部的存储都是靠电容进行保存数据，电容的保持数据的时间为64ms，SDR SDRAM每次只能够刷新一行，为了不丢失任何数据，所以要保证64ms内，将所有的行都要刷新一遍。


SDR SDRAM支持读写的长度为1、2、4、8和一行（整页）。


具体的SDR SDRAM的介绍可以查看手册。下面只介绍几个相对重要的时序图。


在SDR SDRAM正常使用之前，需要进行初始化。初始化的时序图如下：

在PRECHARGE时，A10为高，表示选中所有的bank；A10为低，表示选中BA0、BA1所指定的bank。初始化中，A10置高。


在LOAD MOOE REGISTER中，采用地址线进行配置模式寄存器。说明如下：


在模式配置中，利用CL（CAS Latency）表示列选通潜伏期，利用BL（Burst Length）表示突发长度。


SDR SDRAM中有内部的刷新控制器和刷新的行计数器，外部控制器只需要保证在64ms之内进行8192次刷新即可。


在进行PRECHARGE时，A10要为高电平。


SDR SDRAM中，我们可以在任意位置进行写入。写入的时序图如下：


SDR SDRAM中，我们可以在任意位置进行读出。读出的时序图如下：


在各个时序中的时序参数如下：



  • 设计要求

设计一个突发长度为2，列选通潜伏期为2的SDR SDRAM的控制器。


  • 设计分析

该控制器共有四部分功能，初始化、刷新、写和读。四部分的执行控制采用一个模块来控制。


SDR SDRAM必须要进行初始化，初始化只用执行一次。然后启动一个计时器，等计时器达到后，进行刷新。在刷新的间隔中，根据读写的要求进行读写。


四个模块都会对SDR SDRAM的命令线和地址线进行控制，所以输出时，采用多路选择器对齐进行选择输出。


四个模块按照对应的时序图进行编写代码即可。


  • 架构设计和信号说明

该控制器命名为sdr_drive。


pll_sdr（锁相环模块）：产生驱动所需要的100MHz的时钟（0度相位）、SDR SDRAM所需要的100MHz的时钟（270度相位）、以及PLL锁定信号当作系统复位使用。


timer（刷新计时器）：当启动计时器后，开始计时，当计时到规定时间后，输出刷新请求，计数器直接清零计数计数。当控制器响应后，输出清除信号后，刷新请求拉低。


refresh（刷新模块）、init（初始化模块）、sdr_write（写模块）、sdr_read（读模块）：当启动模块后，按照规定的时序进行输出即可，然后输出完成信号。


sdr_ctrl（控制模块）：控制各个模块协调工作。


mux4_1（四选一多路选择器模块）：选择对应的bus总线作为输出。


*_bus的组成为：高四位为sdr_cs_n、sdr_ras_n、sdr_cas_n、sdr_we_n。然后是bank的两位，后续为13位的sdr_addr。


  • sdr_drive_head声明

将驱动中用到各种参数定义在该文件中。

`define       SDR_ADDR_WIDTH                    13`define       SDR_COL_ADDR_WIDTH                9`define       SDR_REFRESH_TIME                  64_000_000
`define       ADDR_WIDTH   2 + `SDR_ADDR_WIDTH + `SDR_COL_ADDR_WIDTH`define       BUS_WIDTH    4 + 2 + `SDR_ADDR_WIDTH
`define       CMD_INH                           4'b1000`define       NOP                               4'b0111`define       ACT                               4'b0011`define       RD                                4'b0101`define       WR                                4'b0100`define       BT                                4'b0110`define       PREC                              4'b0010`define       REFR                              4'b0001`define       LMR                               4'b0000
`define       PU_DELAY                          20_000`define       Trp                               3`define       Trfc                              7`define       Tmrd                              3`define       Trcd                              3`define       Twr                               3`define       Tcl                               2
`define       CODE                             13'b000_0_00_010_0_001`define     REFRESH_TIME  (`SDR_REFRESH_TIME/(2**`SDR_ADDR_WIDTH))/10


  • pll_sdr设计实现

该模块为IP core，输出0相位的100MHz（系统时钟）和270相位的100MHz（SDR的时钟）。系统设计中，信号在上升沿输出；对于外部器件（相位调整为270），能够较好的满足建立和保持时间。


  • init设计实现

该模块负责将SDR SDRAM进行初始化。上电延迟（PU_DELAY）设置为200us；预充电时间（Trp）设置为3个时钟周期（30ns）；自刷新时间（Trfc）设置为7个时钟周期（70ns）；模式寄存器应用时间（Tmrd）设置为3个时钟周期（30ns）；突发长度为2；列选通潜伏期为3。


按照对应的初始化的时序图，做出如下设计。


本模块采用状态机的方式设计实现。


设计代码为：

`include "../rtl/sdr_drive_head.v"
module init (
  input     wire                                  clk,  input     wire                                  rst_n,
  input     wire                                  init_en,  output    reg                                   init_done,
  output    wire        [`BUS_WIDTH - 1 : 0]      init_bus);
  localparam      IDLE              =             7'b000_0001;  localparam      PUD               =             7'b000_0010;  localparam      PRECHARGE         =             7'b000_0100;  localparam      AUTOREFR1         =             7'b000_1000;  localparam      AUTOREFR2         =             7'b001_0000;  localparam      LMR_STATE         =             7'b010_0000;  localparam      INITDONE          =             7'b100_0000;
  reg                   [6:0]                     c_state;  reg                   [6:0]                     n_state;  wire                  [1:0]                     sdr_bank;  reg                   [3:0]                     sdr_cmd;  reg                   [`SDR_ADDR_WIDTH - 1 : 0] sdr_addr;  reg                   [14:0]                    cnt;                    
  assign sdr_bank = 2'b00;  assign init_bus = {sdr_cmd,sdr_bank,sdr_addr};
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      c_state <= IDLE;    else      c_state <= n_state;  end
  always @ * begin    case (c_state)      IDLE        :     begin        if (init_en == 1'b1)          n_state = PUD;        else          n_state = IDLE;      end
      PUD         :     begin        if (cnt == `PU_DELAY - 1'b1)          n_state = PRECHARGE;        else          n_state = PUD;      end
      PRECHARGE   :     begin        if (cnt == `Trp - 1'b1)          n_state = AUTOREFR1;        else          n_state = PRECHARGE;      end
      AUTOREFR1   :     begin        if (cnt == `Trfc - 1'b1)          n_state = AUTOREFR2;        else            n_state = AUTOREFR1;      end
      AUTOREFR2   :     begin        if (cnt == `Trfc - 1'b1)          n_state = LMR_STATE;        else            n_state = AUTOREFR2;      end
      LMR_STATE   :     begin        if (cnt == `Tmrd - 1'b1)          n_state = INITDONE;        else          n_state = LMR_STATE;      end
      INITDONE    :     begin        n_state = INITDONE;      end
      default     :   n_state = IDLE;    endcase  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      sdr_cmd <= `NOP;    else      case (c_state)        IDLE        :   sdr_cmd <= `NOP;        PUD         :   begin          if (cnt == `PU_DELAY - 1'b1)            sdr_cmd <= `PREC;          else            sdr_cmd <= `NOP;        end        PRECHARGE   :   begin          if (cnt == `Trp - 1'b1)            sdr_cmd <= `REFR;          else            sdr_cmd <= `NOP;        end        AUTOREFR1   :   begin          if (cnt == `Trfc - 1'b1)            sdr_cmd <= `REFR;          else            sdr_cmd <= `NOP;        end        AUTOREFR2   :   begin          if (cnt == `Trfc - 1'b1)            sdr_cmd <= `LMR;          else            sdr_cmd <= `NOP;        end        LMR_STATE   :   sdr_cmd <= `NOP;        INITDONE    :   sdr_cmd <= `NOP;        default     :   sdr_cmd <= `NOP;      endcase  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      cnt <= 15'd0;    else      case (c_state)        IDLE        :   cnt <= 16'd0;        PUD         :   begin          if (cnt < `PU_DELAY - 1'b1)            cnt <= cnt + 1'b1;          else            cnt <= 16'd0;        end
        PRECHARGE    :   begin          if (cnt < `Trp - 1'b1)            cnt <= cnt + 1'b1;          else            cnt <= 16'd0;        end        AUTOREFR1    :   begin          if (cnt < `Trfc - 1'b1)            cnt <= cnt + 1'b1;          else            cnt <= 16'd0;        end        AUTOREFR2    :   begin          if (cnt < `Trfc - 1'b1)            cnt <= cnt + 1'b1;          else            cnt <= 16'd0;        end        LMR_STATE    :   begin          if (cnt < `Tmrd - 1'b1)            cnt <= cnt + 1'b1;          else            cnt <= 16'd0;        end        INITDONE    :   cnt <= 16'd0;        default     :   cnt <= 16'd0;      endcase  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      init_done <= 1'b0;    else      if (c_state == LMR_STATE && cnt == `Tmrd - 1'b1)        init_done <= 1'b1;      else        init_done <= 1'b0;  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      sdr_addr <= 0;    else      if (c_state == PUD && cnt == `PU_DELAY - 1'b1)        sdr_addr[10] <= 1'b1;      else        if (c_state == AUTOREFR2 && cnt == `Trfc - 1'b1)          sdr_addr <= `CODE;        else          sdr_addr <= 0;  end
endmodule


  • timer设计实现


SDR SDRAM内部构造为DRAM，需要不间断的刷新，要求64ms刷新一遍。每次刷新为一行，开发板上的SDR SDRAM共有8192行，平均需要7812.5ns刷新一次，我们选择7810刷新一次。


到达规定的刷新时间时，控制器有可能正在进行其他的操作。在设计时，达到时间后，发出刷新请求，当外部执行刷新后，将次请求清除。发出刷新请求的同时，计数器重新归零计数。

`include "../rtl/sdr_drive_head.v"
module timer (
  input   wire                    clk,  input   wire                    rst_n,
  input   wire                    time_en,  input   wire                    req_clr,
  output  reg                     refresh_req);
  reg               [9:0]         cnt;
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      cnt <= 10'd0;    else      if (time_en == 1'b1 && cnt < `REFRESH_TIME - 1'b1)        cnt <= cnt + 1'b1;      else          cnt <= 10'd0;  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      refresh_req <= 1'b0;    else      if (cnt == `REFRESH_TIME - 1'b1)        refresh_req <= 1'b1;      else        if (req_clr == 1'b1)          refresh_req <= 1'b0;        else          refresh_req <= refresh_req;  end
endmodule


  • refresh设计实现

该模块负责刷新，按照对应的时序图进行控制即可。


该模块利用状态机的方式实现。状态转移图如下：


设计代码为：

`include "../rtl/sdr_drive_head.v"
module refresh (
  input     wire                                  clk,  input     wire                                  rst_n,
  input     wire                                  refresh_en,  output    reg                                   refresh_done,
  output    wire        [`BUS_WIDTH - 1 : 0]      refresh_bus);
  localparam      IDLE              =             5'b0_0001;  localparam      PRECHARGE         =             5'b0_0010;  localparam      AUTOREFR1         =             5'b0_0100;  localparam      AUTOREFR2         =             5'b0_1000;  localparam      REFRDONE          =             5'b1_0000;
  reg                   [4:0]                     c_state;  reg                   [4:0]                     n_state;  wire                  [1:0]                     sdr_bank;  reg                   [3:0]                     sdr_cmd;  reg                   [`SDR_ADDR_WIDTH - 1 : 0] sdr_addr;  reg                   [3:0]                     cnt;                    
  assign sdr_bank = 2'b00;  assign refresh_bus = {sdr_cmd,sdr_bank,sdr_addr};
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      c_state <= IDLE;    else      c_state <= n_state;  end
  always @ * begin    case (c_state)      IDLE        :     begin        if (refresh_en == 1'b1)          n_state = PRECHARGE;        else          n_state = IDLE;      end
      PRECHARGE   :     begin        if (cnt == `Trp - 1'b1)          n_state = AUTOREFR1;        else          n_state = PRECHARGE;      end
      AUTOREFR1   :     begin        if (cnt == `Trfc - 1'b1)          n_state = AUTOREFR2;        else            n_state = AUTOREFR1;      end
      AUTOREFR2   :     begin        if (cnt == `Trfc - 1'b1)          n_state = REFRDONE;        else            n_state = AUTOREFR2;      end
      REFRDONE    :     begin        n_state = IDLE;      end
      default     :   n_state = IDLE;    endcase  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      sdr_cmd <= `NOP;    else      case (c_state)        IDLE        :   begin          if (refresh_en == 1'b1)            sdr_cmd <= `PREC;          else            sdr_cmd <= `NOP;        end        PRECHARGE   :   begin          if (cnt == `Trp - 1'b1)            sdr_cmd <= `REFR;          else            sdr_cmd <= `NOP;        end        AUTOREFR1   :   begin          if (cnt == `Trfc - 1'b1)            sdr_cmd <= `REFR;          else            sdr_cmd <= `NOP;        end        AUTOREFR2   :   sdr_cmd <= `NOP;
        REFRDONE    :   sdr_cmd <= `NOP;        default     :   sdr_cmd <= `NOP;      endcase  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      cnt <= 4'd0;    else      case (c_state)        IDLE        :   cnt <= 4'd0;
        PRECHARGE    :   begin          if (cnt < `Trp - 1'b1)            cnt <= cnt + 1'b1;          else            cnt <= 4'd0;        end        AUTOREFR1    :   begin          if (cnt < `Trfc - 1'b1)            cnt <= cnt + 1'b1;          else            cnt <= 4'd0;        end        AUTOREFR2    :   begin          if (cnt < `Trfc - 1'b1)            cnt <= cnt + 1'b1;          else            cnt <= 4'd0;        end        REFRDONE    :   cnt <= 4'd0;        default     :   cnt <= 4'd0;      endcase  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      refresh_done <= 1'b0;    else      if (c_state == AUTOREFR2 && cnt == `Trfc - 1'b1)        refresh_done <= 1'b1;      else        refresh_done <= 1'b0;  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      sdr_addr <= 0;    else      if (c_state == IDLE && refresh_en == 1'b1)        sdr_addr[10] <= 1'b1;      else        sdr_addr <= 0;  end
endmodule


  • sdr_write设计实现

该模块负责将外部的数据写入到规定的地址中去。在SDR SDRAM中，每操作（读写）一次，都会引起该存储位的漏电，每次结束时，可以进行预充电。SDR SDRAM提供了自动预充电的机制，在读写命令时，sdr_addr[10]=1，即可自动预充电。在设计时，应该要为自动预充电预留出足够的时间。


根据对应的写入时序图，利用状态机完成此设计。


设计代码如下：

`include "../rtl/sdr_drive_head.v"
module sdr_write (
  input     wire                            clk,  input     wire                            rst_n,
  input     wire                            write_en,  input     wire  [`ADDR_WIDTH - 1 : 0]     wr_addr,  input     wire  [31:0]                    wr_data,
  output    reg   [15:0]                    odq,  output    wire  [`BUS_WIDTH - 1 : 0]      wr_bus,  output    reg                             wr_done);
  localparam    IDLE            =           4'b0001;  localparam    ACT_STATE       =           4'b0010;  localparam    WR1             =           4'b0100;  localparam    WR2             =           4'b1000;
  reg                   [3:0]                     c_state;  reg                   [3:0]                     n_state;  wire                  [1:0]                     sdr_bank;  reg                   [3:0]                     sdr_cmd;  reg                   [`SDR_ADDR_WIDTH - 1 : 0] sdr_addr;  reg                   [14:0]                    cnt;                    
  assign sdr_bank = wr_addr[23:22];  assign wr_bus = {sdr_cmd,sdr_bank,sdr_addr};
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      c_state <= IDLE;    else      c_state <= n_state;  end
  always @ * begin    case (c_state)      IDLE        :   begin        if (write_en == 1'b1)          n_state = ACT_STATE;        else          n_state = IDLE;      end
      ACT_STATE   :   begin        if (cnt == `Trcd - 1'b1)          n_state = WR1;        else          n_state = ACT_STATE;      end
      WR1         :    n_state = WR2;
      WR2         :   begin        if (cnt == `Twr + `Trp - 1'b1)          n_state = IDLE;        else          n_state = WR2;      end
      default     :   n_state = IDLE;    endcase  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      sdr_cmd <= `NOP;    else      if (c_state == IDLE && write_en == 1'b1)        sdr_cmd <= `ACT;      else        if (c_state == ACT_STATE && cnt == `Trcd - 1'b1)          sdr_cmd <= `WR;        else          sdr_cmd <= `NOP;  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      sdr_addr <= 0;    else      if (c_state == IDLE && write_en == 1'b1)        sdr_addr <= wr_addr[21:9];      else        if (c_state == ACT_STATE && cnt == `Trcd - 1'b1) begin          sdr_addr[10] <= 1'b1;          sdr_addr[8:0] <= wr_addr[8:0];        end        else          sdr_addr <= 0;  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      cnt <= 4'd0;    else      if (c_state == ACT_STATE && cnt < `Trcd - 1'b1)        cnt <= cnt + 1'b1;      else        if (c_state == WR2 && cnt < `Twr + `Trp - 1'b1)          cnt <= cnt + 1'b1;        else          cnt <= 4'd0;  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      odq <= 16'd0;    else      if (c_state == ACT_STATE && cnt == `Trcd - 1'b1)        odq <= wr_data[15:0];      else        if (c_state == WR1)          odq <= wr_data[31:16];        else          odq <= 16'd0;  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      wr_done <= 1'b0;    else      if (c_state == WR2 && cnt < `Twr + `Trp - 1'b1)        wr_done <= 1'b1;      else        wr_done <= 1'b0;  end
endmodule


  • sdr_read设计实现

该模块负责从指定的地址中，将数据读出。


按照对应的读时序图即可实现功能，本模块采用状态机方式实现，状态转移图如下：


设计代码为：

module sdr_read (
  input   wire                              clk,  input   wire                              rst_n,
  input   wire                              read_en,  input   wire    [`ADDR_WIDTH - 1 : 0]     rd_addr,
  input   wire    [15:0]                    sdr_dq,
  output  reg     [31:0]                    rd_data,  output  reg                               rd_done,
  output  wire    [`BUS_WIDTH - 1 : 0]      rd_bus);
  localparam    IDLE            =           5'b00001;  localparam    ACT_STATE       =           5'b00010;  localparam    READ_STATE      =           5'b00100;  localparam    RD1             =           5'b01000;  localparam    RD2             =           5'b10000;
  reg                   [4:0]                     c_state;  reg                   [4:0]                     n_state;  wire                  [1:0]                     sdr_bank;  reg                   [3:0]                     sdr_cmd;  reg                   [`SDR_ADDR_WIDTH - 1 : 0] sdr_addr;  reg                   [3:0]                     cnt;                    
  assign sdr_bank = rd_addr[23:22];  assign rd_bus = {sdr_cmd,sdr_bank,sdr_addr};
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      c_state <= IDLE;    else      c_state <= n_state;  end
  always @ * begin    case (c_state)      IDLE        :   begin        if (read_en == 1'b1)          n_state = ACT_STATE;        else          n_state = IDLE;      end
      ACT_STATE   :   begin        if (cnt == `Trcd - 1'b1)          n_state = READ_STATE;        else          n_state = ACT_STATE;      end
      READ_STATE  :   begin        if (cnt == `Tcl)          n_state = RD1;        else          n_state = READ_STATE;      end
      RD1         :   n_state = RD2;
      RD2         :   begin        if (cnt == `Trp - 1'b1)          n_state = IDLE;        else          n_state = RD2;      end
      default     :   n_state = IDLE;    endcase  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      sdr_cmd <= `NOP;    else      if (c_state == IDLE && read_en == 1'b1)        sdr_cmd <= `ACT;      else        if (c_state == ACT_STATE && cnt == `Trcd - 1'b1)          sdr_cmd <= `RD;        else          sdr_cmd <= `NOP;  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      sdr_addr <= 0;    else      if (c_state == IDLE && read_en == 1'b1)        sdr_addr <= rd_addr[21:9];      else        if (c_state == ACT_STATE && cnt == `Trcd - 1'b1) begin          sdr_addr[10] <= 1'b1;          sdr_addr[8:0] <= rd_addr[8:0];        end        else          sdr_addr <= 0;  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      cnt <= 4'd0;    else      case (c_state)        IDLE      :     cnt <= 4'd0;        ACT_STATE :     begin          if (cnt < `Trcd - 1'b1)            cnt <= cnt + 1'b1;          else            cnt <= 4'd0;        end        READ_STATE:     begin          if (cnt < `Tcl)            cnt <= cnt + 1'b1;          else            cnt <= 4'd0;        end
        RD1       :     cnt <= 4'd0;        RD2       :     begin          if (cnt < `Trp - 1'b1)            cnt <= cnt + 1'b1;          else            cnt <= 4'd0;        end        default   :     cnt <= 4'd0;      endcase  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      rd_data <= 32'd0;    else      if (c_state == READ_STATE && cnt == `Tcl)        rd_data[15:0] <= sdr_dq;      else        if (c_state == RD1)          rd_data[31:16] <= sdr_dq;        else          rd_data <= rd_data;  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      rd_done <= 1'b0;    else      if (c_state == RD2 && cnt < `Trp - 1'b1)        rd_done <= 1'b1;      else        rd_done <= 1'b0;  end
endmodule


  • mux4_1设计实现

该模块负责选择出对应的bus，然后将对应位作为输出即可。


设计代码为：

module mux4_1 (
  input   wire  [`BUS_WIDTH - 1 : 0]      init_bus,  input   wire  [`BUS_WIDTH - 1 : 0]      refresh_bus,  input   wire  [`BUS_WIDTH - 1 : 0]      wr_bus,  input   wire  [`BUS_WIDTH - 1 : 0]      rd_bus,  input   wire  [1:0]                     mux_sel,
  output  wire  [1 : 0]                   sdr_bank,  output  wire  [`ADDR_WIDTH - 1 : 0]     sdr_addr,  output  wire                            sdr_cs_n,  output  wire                            sdr_ras_n,  output  wire                            sdr_cas_n,  output  wire                            sdr_we_n);
  reg           [`BUS_WIDTH - 1 : 0]      sdr_bus;
  assign sdr_cs_n = sdr_bus[18];  assign sdr_ras_n = sdr_bus[17];  assign sdr_cas_n = sdr_bus[16];  assign sdr_we_n = sdr_bus[15];
  assign sdr_bank = sdr_bus[14:13];
  assign sdr_addr = sdr_bus[12:0];
  always @ * begin    case (mux_sel)      2'b00       :   sdr_bus = init_bus;      2'b01       :   sdr_bus = refresh_bus;      2'b10       :   sdr_bus = wr_bus;      2'b11       :   sdr_bus = rd_bus;      default     :   sdr_bus = init_bus;    endcase  end
endmodule


  • sdr_ctrl设计实现

该模块负责调度整个控制器，利用状态机实现。


设计代码为：

`include "../rtl/sdr_drive_head.v"
module sdr_ctrl (
  input   wire                          clk,  input   wire                          rst_n,
  input   wire                          wr_en,  input   wire                          rd_en,  input   wire    [`ADDR_WIDTH - 1 : 0] addr,  input   wire    [31:0]                wdata,  output  reg     [31:0]                rdata,  output  reg                           rd_valid,
  output  wire                          sdr_busy,
  output  reg     [1:0]                 mux_sel,
  output  reg                           init_en,  input   wire                          init_done,
  output  reg                           time_en,  input   wire                          refresh_req,  output  reg                           req_clr,
  output  reg                           refresh_en,  input   wire                          refresh_done,
  output  reg                           out_en,  output  reg                           write_en,  output  reg     [`ADDR_WIDTH - 1 : 0] wr_addr,  output  reg     [31:0]                wr_data,  input   wire                          wr_done,
  output  reg                           read_en,  output  reg     [`ADDR_WIDTH - 1 : 0] rd_addr,  input   wire    [31:0]                rd_data,  input   wire                          rd_done);
  localparam      IDLE            =     6'b000_001;  localparam      INIT_STATE      =     6'b000_010;  localparam      REFRESH_STATE   =     6'b000_100;  localparam      NO_BUSY         =     6'b001_000;  localparam      WR_STATE        =     6'b010_000;  localparam      RD_STATE        =     6'b100_000;
  reg             [5:0]                 c_state;  reg             [5:0]                 n_state;  reg                                   wren;  reg                                   wren_clr;  reg                                   rden;  reg                                   rden_clr;  reg             [`ADDR_WIDTH - 1 : 0] addrr;  reg             [31:0]                wdatar;  reg                                   busy;
  assign sdr_busy = busy | rd_en | wr_en;
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      wren <= 1'b0;    else      if (wr_en == 1'b1)        wren <= 1'b1;      else        if (wren_clr == 1'b1)          wren <= 1'b0;        else          wren <= wren;  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      rden <= 1'b0;    else      if (rd_en == 1'b1)        rden <= 1'b1;      else        if (rden_clr == 1'b1)          rden <= 1'b0;        else          rden <= rden;  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      wdatar <= 32'd0;    else      if (wr_en == 1'b1)        wdatar <= wdata;      else        wdatar <= wdatar;  end 
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      addrr <= 0;    else      if (wr_en == 1'b1 || rd_en == 1'b1)        addrr <= addr;      else        addrr <= addrr;  end 
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      c_state <= IDLE;    else      c_state <= n_state;  end
  always @ * begin    case (c_state)      IDLE              :   n_state = INIT_STATE;
      INIT_STATE        :   begin        if (init_done == 1'b1)          n_state = REFRESH_STATE;        else          n_state = INIT_STATE;      end
      REFRESH_STATE     :   begin        if (refresh_done == 1'b1)          n_state = NO_BUSY;        else          n_state = REFRESH_STATE;      end
      NO_BUSY           :   begin        if (refresh_req == 1'b1)          n_state = REFRESH_STATE;        else          if (wren == 1'b1)            n_state = WR_STATE;          else            if (rden == 1'b1)              n_state = RD_STATE;            else              n_state = NO_BUSY;      end
      WR_STATE          :   begin        if (wr_done == 1'b1)          n_state = NO_BUSY;        else          n_state = WR_STATE;      end
      RD_STATE          :   begin        if (rd_done == 1'b1)          n_state = NO_BUSY;        else          n_state = RD_STATE;      end
      default           :   n_state = IDLE;    endcase  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      busy <= 1'b1;    else      if (c_state == NO_BUSY && wren == 1'b0 && rden == 1'b0 && refresh_req == 1'b0)        busy <= rd_en | wr_en;      else        busy <= 1'b1;  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      init_en <= 1'b0;    else      if (c_state == IDLE)        init_en <= 1'b1;      else        init_en <= 1'b0;  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      time_en <= 1'b0;    else      if (c_state == INIT_STATE && init_done == 1'b1)        time_en <= 1'b1;      else        time_en <= time_en;  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      refresh_en <= 1'b0;    else      if (c_state == INIT_STATE && init_done == 1'b1)        refresh_en <= 1'b1;      else        if (c_state == NO_BUSY && refresh_req == 1'b1)          refresh_en <= 1'b1;        else          refresh_en <= 1'b0;  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      req_clr <= 1'b0;    else      if (c_state == NO_BUSY && refresh_req == 1'b1)        req_clr <= 1'b1;      else        req_clr <= 1'b0;  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      write_en <= 1'b0;    else      if (c_state == NO_BUSY && refresh_req == 1'b0 && wren == 1'b1)        write_en <= 1'b1;     else        write_en <= 1'b0;  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      out_en <= 1'b0;    else      if (c_state == NO_BUSY && refresh_req == 1'b0 && wren == 1'b1)        out_en <= 1'b1;     else        if (c_state == WR_STATE && wr_done == 1'b1)          out_en <= 1'b0;        else          out_en <= out_en;  end 
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      wr_addr <= 0;    else      if (c_state == NO_BUSY && refresh_req == 1'b0 && wren == 1'b1)        wr_addr <= addrr;     else        wr_addr <= wr_addr;  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      wr_data <= 0;    else      if (c_state == NO_BUSY && refresh_req == 1'b0 && wren == 1'b1)        wr_data <= wdatar;     else        wr_data <= wr_data;  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      wren_clr <= 1'b0;    else      if (c_state == NO_BUSY && refresh_req == 1'b0 && wren == 1'b1)        wren_clr <= 1'b1;     else        wren_clr <= 1'b0;  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      rden_clr <= 1'b0;    else      if (c_state == NO_BUSY && refresh_req == 1'b0 && wren == 1'b0 && rden == 1'b1)        rden_clr <= 1'b1;     else        rden_clr <= 1'b0;  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      read_en <= 1'b0;    else      if (c_state == NO_BUSY && refresh_req == 1'b0 && wren == 1'b0 && rden == 1'b1)        read_en <= 1'b1;     else        read_en <= 1'b0;  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      rd_addr <= 0;    else      if (c_state == NO_BUSY && refresh_req == 1'b0 && wren == 1'b0 && rden == 1'b1)        rd_addr <= addrr;     else        rd_addr <= rd_addr;  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      rdata <= 32'd0;    else      if (c_state == RD_STATE && rd_done == 1'b1)        rdata <= rd_data;      else        rdata <= rdata;  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      rd_valid <= 1'b0;    else      if (c_state == RD_STATE && rd_done == 1'b1)        rd_valid <= 1'b1;      else        rd_valid <= 1'b0;  end 
  always @ (posedge clk, negedge rst_n)  begin    if (rst_n == 1'b0)      mux_sel <= 2'b00;    else      case (c_state)        IDLE        :       mux_sel <= 2'b00;        INIT_STATE  :       begin          if (init_done == 1'b1)            mux_sel <= 2'b01;          else              mux_sel <= mux_sel;        end        REFRESH_STATE:      mux_sel <= mux_sel;        NO_BUSY     :       begin          if (refresh_req == 1'b1)            mux_sel <= 2'b01;          else            if (wren == 1'b1)              mux_sel <= 2'b10;            else              if (rden == 1'b1)                mux_sel <= 2'b11;              else                mux_sel <= mux_sel;        end        RD_STATE    :   mux_sel <= mux_sel;        WR_STATE    :   mux_sel <= mux_sel;
        default     :   mux_sel <= 2'b00;      endcase  end
endmodule


为了防止在进行刷新的起始部分丢失读写命令，所以在设计时，加入了缓存结构，只要有读写命令时，都会进行保存。在读写执行时，才会清除此命令。


  • RTL仿真

为了能够仿真此设计，需要用到SDR SDRAM的仿真模型。仿真模型在msim的sdr_sim_module中，将其修改为行线为13bit，列为9bit，每个bank有4194304个存储空间。


在仿真时，在第二个bank，第五行，第10列，写入一个随机值。然后读取出来。


仿真代码为：

`timescale 1ns/1ps
module sdr_drive_tb;
  reg                     clk;  reg                     rst_n;
  wire                    sys_clk;  wire                    sys_rst_n;
  wire                    sdr_busy;  reg                     wr_en;  reg                     rd_en;  reg       [23:0]        addr;  reg       [31:0]        wdata;  wire      [31:0]        rdata;  wire                    rd_valid;
  wire                    sdr_clk;  wire                    sdr_cke;  wire                    sdr_cs_n;  wire                    sdr_ras_n;  wire                    sdr_cas_n;  wire                    sdr_we_n;  wire      [15:0]        sdr_dq;  wire      [1:0]         sdr_bank;  wire      [1:0]         sdr_dqm;  wire      [12:0]        sdr_addr;
  sdr_drive sdr_drive_inst(
      .clk                  (clk),      .rst_n                (rst_n),
      .sys_clk              (sys_clk),      .sys_rst_n            (sys_rst_n),
    //  local      .sdr_busy             (sdr_busy),      .wr_en                (wr_en),      .rd_en                (rd_en),      .addr                 (addr),      .wdata                (wdata),      .rdata                (rdata),      .rd_valid             (rd_valid),
    //  sdr      .sdr_clk              (sdr_clk),      .sdr_cke              (sdr_cke),      .sdr_cs_n             (sdr_cs_n),      .sdr_ras_n            (sdr_ras_n),      .sdr_cas_n            (sdr_cas_n),      .sdr_we_n             (sdr_we_n),      .sdr_bank             (sdr_bank),      .sdr_addr             (sdr_addr),      .sdr_dqm              (sdr_dqm),      .sdr_dq               (sdr_dq)    );
  mt48lc32m16a2 mt48lc32m16a2_inst(      .Dq                   (sdr_dq),       .Addr                 (sdr_addr),       .Ba                   (sdr_bank),       .Clk                  (sdr_clk),       .Cke                  (sdr_cke),       .Cs_n                 (sdr_cs_n),       .Ras_n                (sdr_ras_n),       .Cas_n                (sdr_cas_n),       .We_n                 (sdr_we_n),       .Dqm                  (sdr_dqm)    );
  initial clk = 1'b0;  always # 10 clk = ~clk;
  initial begin    rst_n = 1'b0;    wr_en = 1'b0;    rd_en = 1'b0;    addr = {2'b01, 13'd5,9'd10};    wdata = 32'd0;    # 201    rst_n = 1'b1;    @ (negedge sdr_busy);    @ (posedge sys_clk);    # 2;    wr_en = 1'b1;    wdata = $random;    @ (posedge sys_clk);    # 2;    wr_en = 1'b0;    # 2000;    @ (negedge sdr_busy);    @ (posedge sys_clk);    # 2;    rd_en = 1'b1;    @ (posedge sys_clk);    # 2;    rd_en = 1'b0;    # 2000;    $stop;  end
endmodule


这设置激励时，将tb文件和仿真模型文件同时加入添加文件中。

 

在modelsim的报告界面会显示出具体的配置信息以及读写信息。


从打印的报告中可以看出，在初始化时，列选通潜伏期为2，突发长度为2。在后续的读写时，在指定的位置，写入了13604，后续的一个位置为4629；在读出时，也正确的读出了数据。

报告打印出写入数据，即认为写入成功；报告打印出读出数据，只能证明控制器将数据读出，并不表示控制器能把数据接收到。


通过控制输出的rdata以及对应的rd_valid信号，确定读出成功。在rdata中显示为16进制，16进制的1215为十进制的4629；16进制的3524的为十进制的13604。证明读数据接收正确。

 

  • 板级测试

编写控制器的上游模块（sdr_drive_test_crtl），控制写入和读出。在固定的地址中addr = {2'b01, 13'd128, 9'd20}，写入一个固定的数字wdata = 32'h5a5aa5a5，然后读出，进行验证。


读者在进行验证时，可以采样其他的地址或者数据进行验证，且可以进行多次尝试，保证设计正确。


该模块采用状态机设计实现。


设计代码为：

`include "../rtl/sdr_drive_head.v"
module sdr_drive_test_ctrl (
  input     wire                                    clk,  input     wire                                    rst_n,
  input     wire                                    sdr_busy,  output    reg                                     wr_en,  output    reg                                     rd_en,  output    wire      [31:0]                        wdata,  input     wire                                    rd_valid,  input     wire      [31:0]                        rdata,  output    wire      [`ADDR_WIDTH - 1 : 0]         addr);
  localparam          IDLE        =   4'b0001;  localparam          WR_STATE    =   4'b0010;  localparam          RD_STATE    =   4'b0100;  localparam          TEST_DONE   =   4'b1000;
  reg                 [3:0]         c_state;  reg                 [3:0]         n_state;
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      c_state <= IDLE;    else      c_state <= n_state;  end
  always @ * begin    case (c_state)      IDLE          :   begin        if (sdr_busy == 1'b0)          n_state = WR_STATE;        else          n_state = IDLE;      end
      WR_STATE      :   begin        if (sdr_busy == 1'b0)          n_state = RD_STATE;        else          n_state = WR_STATE;      end
      RD_STATE      :   begin        if (rd_valid == 1'b1 && rdata == 32'h5a5aa5a5)          n_state = TEST_DONE;        else          n_state = RD_STATE;      end
      TEST_DONE     :   n_state = TEST_DONE;

      default       :   n_state = IDLE;    endcase  end
  assign wdata = 32'h5a5aa5a5;  assign addr = {2'b01, 13'd128, 9'd20};
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      wr_en <= 1'b0;    else      if (c_state == IDLE && sdr_busy == 1'b0)        wr_en <= 1'b1;      else        wr_en <= 1'b0;  end
  always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin    if (rst_n == 1'b0)      rd_en <= 1'b0;    else      if (c_state == WR_STATE && sdr_busy == 1'b0)        rd_en <= 1'b1;      else        rd_en <= 1'b0;  end
endmodule


编写测试顶层，模块命名为sdr_drive_test，并且设置为顶层。


此模块负责例化sdr_drive和sdr_drive_test_ctrl，完成连接功能，以此测试。


代码为：

`include "../rtl/sdr_drive_head.v"
module sdr_drive_test (
  input     wire                                    clk,  input     wire                                    rst_n,
//  sdr  output    wire                                    sdr_clk,  output    wire                                    sdr_cke,  output    wire                                    sdr_cs_n,  output    wire                                    sdr_ras_n,  output    wire                                    sdr_cas_n,  output    wire                                    sdr_we_n,  output    wire      [1:0]                         sdr_bank,  output    wire      [`SDR_ADDR_WIDTH - 1 : 0]     sdr_addr,  output    wire      [1:0]                         sdr_dqm,  inout     wire      [15:0]                        sdr_dq);
  wire                                    sys_clk;  wire                                    sys_rst_n;
//  local  wire                                    sdr_busy;  wire                                    wr_en;  wire                                    rd_en;  wire      [`ADDR_WIDTH - 1 : 0]         addr;  wire      [31:0]                        wdata;  wire      [31:0]                        rdata;  wire                                    rd_valid;
  sdr_drive_test_ctrl sdr_drive_test_ctrl_inst(
      .clk                (sys_clk),      .rst_n              (sys_rst_n),
      .sdr_busy           (sdr_busy),      .wr_en              (wr_en),      .rd_en              (rd_en),      .wdata              (wdata),      .rd_valid           (rd_valid),      .rdata              (rdata),      .addr               (addr)    );
  sdr_drive sdr_drive_inst(
      .clk                (clk),      .rst_n              (rst_n),
      .sys_clk            (sys_clk),      .sys_rst_n          (sys_rst_n),
    //  local      .sdr_busy           (sdr_busy),      .wr_en              (wr_en),      .rd_en              (rd_en),      .addr               (addr),      .wdata              (wdata),      .rdata              (rdata),      .rd_valid           (rd_valid),
    //  sdr      .sdr_clk            (sdr_clk),      .sdr_cke            (sdr_cke),      .sdr_cs_n           (sdr_cs_n),      .sdr_ras_n          (sdr_ras_n),      .sdr_cas_n          (sdr_cas_n),      .sdr_we_n           (sdr_we_n),      .sdr_bank           (sdr_bank),      .sdr_addr           (sdr_addr),      .sdr_dqm            (sdr_dqm),      .sdr_dq             (sdr_dq)    );
endmodule


经过综合分析后，进行分配管脚。在分配管脚后，需要将双功能管脚中的NCEO设置为普通用户IO。如果不设置，将会出现如下错误：

 

右击器件名称，选择DEVICE。

 

选择device and pin option。

 

选择dual – purpose pins。


将nceo设置为 use as regular IO。


点击OK，进行编译即可。

 

连接上开发板，启动逻辑分析仪。


将采样时钟选择为，sys_clk（PLL的c0）。采样深度选择为1K。

 

添加观测信号如下，将wr_en的上升沿设置为触发条件。

经过保存，重新形成配置文件后，进行下板测试。


下板后，按下复位。等待波形触发。

通过逻辑分析仪，就可以看出可以正确的写入和读出数据。


读者也可以进行尝试一次性写入多个数据，然后进行读出，进行验证设计的正确性。


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FPGA技术江湖 任何技术的学习就好比一个江湖，对于每一位侠客都需要不断的历练，从初入江湖的小白到归隐山林的隐世高人，需要不断的自我感悟自己修炼，让我们一起仗剑闯FPGA乃至更大的江湖。
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