一. 簡介
本例將介紹SDRAM的使用。SDRAM是一個存儲器件，存儲容量大，存儲速度比較快，速度可達(dá)100M，特別適合用來當(dāng)做視頻或者音頻中的存儲器件。
在采集到OV5640傳輸過來的圖像數(shù)據(jù)的時候，F(xiàn)PGA的片上資源是沒有那么大的存儲空間進(jìn)行存儲的，必須通過外部的存儲器件進(jìn)行存儲。恰好開發(fā)板上有一片SDRAM，所以用此來進(jìn)行存儲，一般而言入門級的FPGA開發(fā)板上都是配置的SDRAM，中高級一點的是DDR2（alter開發(fā)板），DDR3（xilinx開發(fā)板）。
所以本例將實現(xiàn)一個完善的SDRAM存儲控制器，供大家查看。
二. SDRAM接口信號
從下面框圖中可以看出，SDRAM接口信號可以分為四大類：控制信號，地址信號，數(shù)據(jù)輸入輸出信號，掩碼信號。下面將詳細(xì)介紹各個命令的作用。
以上就是SDRAM的全部接口信號了，并沒有特別復(fù)雜。
下圖是SDRAM的所有命令，在對SDRAM進(jìn)行操作的時候，需要使用到。
然后在。v文件中先將其定義出來，方便后續(xù)使用
三. SDRAM上電初始化
上電后，沒有任何時序上的操作，只需要延時100us（手冊上要求最小為100us），使輸入輸出電平達(dá)到穩(wěn)定，即可，在此期間，發(fā)送的命令最好為NOP。
這里初始化包括了初始化和加載模式寄存器，我認(rèn)為初始化，就是加載模式寄存器。
?。?）模式寄存器
模式寄存器的定義如下，通過地址線給出，每位都有其具體的含義。
0-2 bit：定義突發(fā)長度，每給一個讀/寫命令后，輸出/輸入的數(shù)據(jù)大小
4-6bit :定義潛伏期，發(fā)出讀命令后，延時多少個周期給讀數(shù)據(jù)，僅對讀操作有效
10-12bit: 保留，始終置高即可
其余位始終保持為0即可。模式寄存器的內(nèi)容就這么多。
?。?）初始化
下圖是初始化的過程，按照圖示要求依次發(fā)送對應(yīng)的命令即可，命令與命令之間的間隔時間手冊上都有說明，取的時候，可以適當(dāng)取大。模式寄存器的A信號被分成了兩部分A10和其他，可以看到A10在PRECHARGE階段有特殊作用，一般為1，對所有的bank都進(jìn)行預(yù)充電。
在模式寄存器中A10也是為1的，所以在整個初始化過程中，A可以直接賦值為模式寄存器的值。
實現(xiàn)過程如下，也是非常簡潔的，編寫好初始化模塊看，可以直接仿真，這里多虧了大佬寫的sdram模型（就是一個。v文件），不用上板，可以直接仿真看代碼編寫是否正確。
仿真輸出如下，可以看到和時序圖中，命令發(fā)送過程是一樣，同時也可以看到，模式寄存器配置的具體參數(shù)，非常方便，初始化模塊就順利的編寫完成了。
四. 刷新模塊
由于sdram的特殊結(jié)構(gòu)，sdram在使用的過程中，需要每隔一段時間，對所有的存儲區(qū)域進(jìn)行一次刷新操作（充電），否則內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù)會丟失，這將會成為后面設(shè)計的一大難點。
根據(jù)手冊得知每64ms需要完成8192次刷新操作，也就是下面的時序圖需要在64ms內(nèi)運(yùn)行8192次，平均下來7us就要進(jìn)行一次，這個時間需要記住非常重要。
同樣也是根據(jù)手冊給出的時序圖進(jìn)行編寫代碼，一共需要發(fā)送三個命令
代碼實現(xiàn)如下，也是非常容易實現(xiàn)的。
從圖中可以看出，每隔7090ns進(jìn)行一次刷新，滿足要求。
至此，初始化和刷新模塊編寫完成，這兩部分只需要按照手冊上給出的時序圖來編寫代碼即可，比較容易即可完成，后面的讀寫模塊會復(fù)雜一些。
五. 寫模塊
讀模塊的時序圖如下，截取的是沒有auto precharge操作的，也就是在數(shù)據(jù)寫完后，需要手動發(fā)送一個precharge命令。同樣可以讓sdram自動完成這個操作，只需要在發(fā)送write命令的時候，將A10拉高即可，這樣在發(fā)送完數(shù)據(jù)后，就可以直接結(jié)束了，不用發(fā)送precharge命令。本次介紹的是需要發(fā)送precharge命令。
設(shè)計時需要清楚以下兩個問題
發(fā)送過程中，需要切換行地址或者bank的時候，應(yīng)該怎樣操作
發(fā)送過程中，突然來了刷新請求時，該如何處理
先對第一個問題進(jìn)行說明一下，在sdram中，行地址和bank是發(fā)送ACTIVE命令時指定的，發(fā)送write命令時，就可以指定列地址了，如下BL=1。也就是說切換行地址或bank時需要重新發(fā)送ACTIVE命令。ps：寫操作是沒有潛伏期的。
手冊中也給出了這部分的時序圖，如下。需要注意的一點是，它這是使能了auto precharge，所以數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，沒有發(fā)送precharge命令，就發(fā)送了ACTIVE命令來切換行地址或bank了。沒有使能的情況下，需要加上precharge地址，然后再延時tRCD，發(fā)送ACTIVE命令，這點需要注意。
第二個問題，當(dāng)刷新請求來時，這個時候當(dāng)然是要暫停發(fā)送數(shù)據(jù)，需要保存已經(jīng)發(fā)送數(shù)據(jù)的個數(shù)，以及當(dāng)前發(fā)送的地址和bank。然后在刷新結(jié)束后，繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。
模塊框圖和狀態(tài)機(jī)如下。在write_data_en使能的情況下，外部輸入數(shù)據(jù)進(jìn)來，其余時刻輸入的數(shù)據(jù)無效，相當(dāng)于一個握手信號。sdram模式寄存器配置的是突發(fā)長度為1，所以這里單次寫突發(fā)長度是沒有大小限制的。
sdram_write
?。?/p>
input sdram_clk,
input rst_n,
input sdram_write_req, //寫請求
output sdram_write_ack, //寫響應(yīng)
input sdram_write_pause, //寫暫停信號，轉(zhuǎn)去刷新操作
output reg sdram_write_pause_ack, //寫暫停響應(yīng)，成功暫停
input[24:0] write_addr, //寫入地址
input[15:0] write_data, //寫入數(shù)據(jù) {bank[1:0s],row[12:0],clo[9:0]}
input[9:0] write_burst_length, //單次寫突發(fā)長度 //可以為sdram大小
output write_data_en, //寫入數(shù)據(jù)有效輸出
//sdram接口
output[3:0] sdram_write_cmd,
output[12:0] sdram_write_addr,
output[1:0] sdram_write_ba,
output[15:0] sdram_write_data
?。?；
localparam S_IDEL = 'd0; //空閑態(tài)
localparam S_ACTIVE = 'd1; //激活態(tài)
localparam S_WRITE = 'd2; //寫數(shù)據(jù)
localparam S_PAUSE = 'd3; //寫暫停
localparam S_ALTERNATE = 'd4; //換行換bank緩存
localparam S_PRECHARGE = 'd5; //寫結(jié)束后或切換行列地址，發(fā)送precharge命令
localparam S_END = 'd6; //寫結(jié)束
always@（*）
begin
case（state）
S_IDEL:
if（ sdram_write_req == 1'b1 ）
next_state <= S_ACTIVE;
else
next_state <= S_IDEL;
S_ACTIVE:
if（ sdram_write_pause == 1'b1 ） //寫暫停信號，轉(zhuǎn)去刷新操作
next_state <= S_PAUSE;
else if（ time_cnt == `tRCD ）
next_state <= S_WRITE;
else
next_state <= S_ACTIVE;
S_WRITE:
if（ sdram_write_pause == 1'b1 ） //寫暫停信號，轉(zhuǎn)去刷新操作
next_state <= S_PAUSE;
else if（ alternating_bank_row_en == 1'b1）
next_state <= S_PRECHARGE;
else if（ write_burst_length_cnt == write_burst_length ）
next_state <= S_PRECHARGE;
else
next_state <= S_WRITE;
S_PAUSE:
if（ sdram_write_pause == 1'b0 ） //刷新操作結(jié)束
next_state <= S_ACTIVE;
else
next_state <= S_PAUSE;
S_ALTERNATE:
if（ time_cnt == `tRCD）
next_state <= S_ACTIVE;
else
next_state <= S_ALTERNATE;
S_PRECHARGE:
if（ time_cnt == `tRP + `tWR）
if（ write_burst_length_cnt >= write_burst_length）
next_state <= S_END;
else
next_state <= S_ALTERNATE;
else
next_state <= S_PRECHARGE;
S_END:
next_state <= S_IDEL;
default : next_state <= S_IDEL;
endcase
end
最后通過仿真，確認(rèn)實現(xiàn)正確，第一幅圖是寫過程進(jìn)行刷新操作，第二幅圖是，寫過程切換行地址
六. 讀模塊
讀模塊過程的編寫和寫模塊是一模一樣的，不過需要注意的是讀模塊有潛伏期，命令發(fā)送和數(shù)據(jù)輸出相差CL個時鐘周期，讀數(shù)據(jù)的時候，需要將這個延時加入其中，可以看到接口信號和寫模塊是一樣。不過對數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣的時候，需要使用輸入到sdram中的時鐘，這需要注意。
sdram_read
?。?/p>
input sdram_clk,
input rst_n,
input sdram_read_req, //讀請求
output sdram_read_ack, //讀響應(yīng)
input sdram_read_pause, //讀暫停信號，轉(zhuǎn)去刷新操作
output reg sdram_read_pause_ack, //讀暫停響應(yīng)，成功暫停
input[24:0] read_addr, //讀入地址
output[15:0] read_data, //讀出數(shù)據(jù) {bank[1:0s],row[12:0],clo[9:0]}
input[9:0] read_burst_length, //單次讀突發(fā)長度 //可以為sdram大小
output read_data_en, //讀數(shù)據(jù)有效輸出
//sdram接口
output[3:0] sdram_read_cmd,
output[12:0] sdram_read_addr,
output[1:0] sdram_read_ba,
input[15:0] sdram_read_data
?。?；
通過仿真輸出，確定突發(fā)讀期間，換行以及刷新完全正確
至此SDRAM模塊的編寫就完成了，頂層框圖如下，至于在外部如何進(jìn)行封裝，那就看不同的需求了。
SDRAM_TOP（
input sys_clk, //sdram的系統(tǒng)時鐘 100M
input rst_n, //異步復(fù)位信號
//讀接口
input read_req,
output read_ack,
input[24:0] read_addr,
input[9:0] read_burst_length,
output[15:0] read_data,
output read_data_en,
//寫接口
input write_req,
output write_ack,
input[24:0] write_addr,
input[9:0] write_burst_length,
input[15:0] write_data,
output write_data_en,
//sdram接口
output sdram_clk, //sdram clock
output sdram_cke, //sdram clock enable
output sdram_cs_n, //sdram chip select
output sdram_we_n, //sdram write enable
output sdram_cas_n, //sdram column address strobe
output sdram_ras_n, //sdram row address strobe
output[1:0] sdram_dqm, //sdram data enable
output[1:0] sdram_ba, //sdram bank address
output[12:0] sdram_addr, //sdram address
inout[15:0] sdram_dq //sdram data
?。?；
結(jié)束
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