SDRAM控制器设计

惠为君+沈兆军

摘要：介绍了SDRAM的结构、时序和有关概念。在该基础上，基于自顶向下设计思想，把控制器模块划分为两个部分：内部命令产生、命令输出。基于verilog实现这两部分模块电路，并完成顶层实体。测试表明，该控制器是有效的。

关键词：Verilog；SDRAM；控制器

中图分类号：TN911 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）32-0236-03

VGA CONTROLER in Verilog

HUI Wei-jun

（Yancheng Institute of Technology， Yancheng 224051， China）

Abstract： The structure， timing and related concepts of SDRAM are introduced in this paper. After that， Based on the top-down design idea， the controller module is divided into two parts： the internal command generation、command output. The two module circuits as well as top layer entity are realized Based on verilog， The test shows that the controller is worked.

Key words： Verilog； SDRAM； controller

SDRAM即同步动态随机存取存储器，其容量大，存储速度快。在设计一种视频图像系统时，需要存储的数据量大，采用SDRAM作为存储器件。为此，需要设计SDRAM控制器。

1 SDRAM结构及引脚

本系统采用hynix的SDRAM器件，型号为HY57V641620。

SDRAM为阵列结构，如同一张二维表格，如图1所示。通过行列地址，存储单元可以随机访问。存储器行数为 2^12 = 4096，列数为 2^8 = 512，段数为 2 ^ 2 = 4。 其容量为 4096*512*4 = 8Mbit。

其主要引脚名称及功能如下：

CKE：时钟使能；CS_N： 片选；

WE_N：写使能，低电平为写，高电平为读；

RAS_N： 行选通；CAS_N： 列选通；

BA[1：0] ： 段选择；

A[11：0] ： 行、列复用地址。行地址12位，列地址取低8位。

D[15：0] 双向数据端口。

2 SDRAM时序

SDRAM的操作时序分为三部分：初始化、写、读。控制器设计就是基于这三部分时序完成的。初始化完成之后，才可以实现对存储器的读写操作。

初始化时序分为4个部分，如图2所示。

1） 200us的输入延时。用于稳定电路各部分的状态。

2） 所有段预充电。预充电是指关闭现有行，激活另一行。A10置位，对所有L_BANK预充电，A10位，对固定L_BANK预充电。

3） 8个刷新周期。SDRAM的数据保存在电容中。SDRAM的特征就是要定时刷新，给电容充电，来保证数据不丢失。电容中数据的有效保存期时间为64ms，器件存储单元共有4096行，每行刷新时间为64ms/4096 = 15.625us。

4） 模式寄存器设置。通过对地址总线的赋值来进行模式配置，用来控制器件的读写方式。

读写模式等具体内容见附录[1]。

本系统配置寄存器值为：000_011_0_111，即设置潜伏长度为2个时钟，页模式突发读写，顺序传输方式。

3 器件读写

模式寄存器配置完成之后，器件就可以正常读写了。

由于行列地址复用，不能同时传送行列地址。读写时序如图4所示，读数据的时候，先发送行地址，使行有效。经过时间Trcd以后，再发送列地址和读写有效信号。Trcd称为行有效时间。由于列地址只有8位，所以[A11..A8]可以赋值为4b0000或4b0100。当A10取值1时，器件自动预充电。

在发送列地址读数据的时候，控制信号CKE、CS_N、WE_N要同时有效。读命令有效后，数据要经过放大，才可以输出，这段时间称为Tcl。Tcl一般为2～3个周期。

写数据的时候，行列地址时序和读数据相同。写数据没有潜伏时间，但是数据写入器件还是需要时间，称为写回延时Twr。在Twr时间内，不可以预充电。

4 控制器编程实现

4.1 内部命令产生模块

该模块产生产生初始化及刷新、读写等命令。基于初始化时序，在200us稳定期过户，依次生成预充电、8个刷新周期、模式寄存器设置命令。

parameter INIT_PER = 16'd25000；

reg [15：0] init_timer；

if（init_timer < （INIT_PER+201））

init_timer <= init_timer + 16'd1；

初始化常量取值25000，時钟125Mhz，

if （init_timer < INIT_PER）

INIT_REQ <=1；

else if（init_timer == （INIT_PER+20）） PRECHARGE <=1；

else if（ （init_timer == （INIT_PER+40）） ||endprint

……

（init_timer == （INIT_PER+180）） ）

REFRESH <= 1；

定义init_timer为16位。定义INIT_PER大小为25000。满足输入稳定期：

1/125 us * 25000 = 200us 。

然后是20个时钟的预充电，及8个刷新周期，寄存器配置。

parameter REF_PER = 16'd1953；

reg [15：0] timer；

if （REF_ACK == 1）

begin timer <= REF_PER；

REF_REQ <= 0； end

else if （INIT_REQ == 1）

begin

timer <= REF_PER + 16'd200；

REF_REQ <=0； end

else timer <= timer - 1'b1；

if（timer == 0） REF_REQ <= 1；

定义常量 REF_PER大小为1953。满足每行刷新时间间隔：

1/125us * 1953 = 15us

即过15us之后，刷新行，总刷新周期为64ms。如果INIT_REQ有效，需要多加200个时钟，等待初始化完成之后，再生成刷新请求。

4.2 命令执行模块

该模块把读、写、预充电、刷新等命令翻译成正确的控制命令，连接到SDRAM的控制引脚：CKE、CS_N、RAS_N 、WE_N等，使SDRAM执行的正确的动作。

定义内部命令变量和向量：

reg do_reada，do_writea，do_refresh；

reg do_precharge，do_load_mode，do_initial；

reg command_done，do_rw， rw_flag；

reg [7：0] command_delay；

reg [1：0] rw_shift；

其中，command_delay及command_d用于内部延时。

模块的功能描述内容主要分为三个部分，如图5所示。

4.3 内部命令产生

部分核心程序如下：

if（ INIT_REQ == 1 ） do_initial <= 1；

else

begin

if （（PRECHARGE == 1） & （command_done == 0）

do_precharge <= 1；

if （（REF_REQ == 1 | REFRESH == 1） &（command_done == 0）

do_refresh <= 1；

……

if （（READA == 1） & （command_done == 0） begin do_reada <= 1；ex_read <= 1； end

……

end

当输入的初始化命令、与充电、刷新、读写命令有效且命令完成标记为零时候，对应的内部命令置位。

4.4 延时

为保证命令的有效执行，在生成一个内部命令的时候，有必要执行一段延时。为保证延时的精确性，延时电路用移位寄存器实现。

if （（do_refresh == 1） | （do_reada == 1） | （do_writea == 1） | （do_precharge == 1）

| （do_load_mode == 1））

begin

command_delay <= 8'b11111111；

command_done <= 1；

else

begin

command_done<=command_delay[0]；

command_delay <= （command_delay>>1）；

end

移位寄存器并入串出，延时8个时钟之后，command_done复位，可以接受下一个命令。

4.5 SDRAM控制信号输出

SDRAM动作与输入控制信号关系如表1所示。

其中，BTR是突发操作停止动作。

if （do_initial ==1） begin

RAS_N <= 1；

CAS_N <= 1；

WE_N <= 1； end

……

else if （do_reada == 1 | do_writea == 1） begin

RAS_N <= 0；

CAS_N <= 1；

WE_N <= 1； end

else if （do_rw == 1） begin

RAS_N <= 1；

CAS_N <= 0；

WE_N <= rw_flag； end

……

当内部读写命令有效时候，首先行选通，也就是激活操作，然后在延时Trcd之后，标记do_rw有效，执行读写操作。

5 顶层实体

顶层实体电路如图6所示。系统设置了页模式控制命令pm_stop，如果pm_stop有效，则非页模式下，需要额外延时。

在系统中，此控制器配合FIFO可以完成数据的存取工作。

参考文献：

[1] 李丽斯， 杨立杰， 殷晔， 等. 刘康丽基于FPGA的页快速命中的SDRAM控制器的设计[J]. 2015（13）.

[2] 郭柳柳， 甄國涌， 刘东海. 基于FPGA高速图像数据的存储及显示设计[J]. 电子技术应用， 2014（11）.

[3] 邓凯， 王永明. 一种简单的SDRAM控制器实现方法[J]. 国外电子测量技术， 2011（09）.

[4] 鲁玲. 多时钟域数据传递的FPGA实现[J]. 现代电子技术， 2007（21）.

[5] 杨会建， 田成军， 杨志娟， 等. 基于FPGA的SDRAM乒乓读写操作设计[J]. 长春理工大学学报， 2015（2）.

[6] 李丽斯， 杨立杰， 殷晔， 等. 基于SDRAM大容量缓存FIFO控制器的设计与实现[J]. 2015（13）.endprint