基于SANXIN -B01 FPGA开发板的SDR SDRAM驱动设计

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本篇实现基于叁芯智能科技的SANXIN -B01 FPGA开发板。

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。

原文标题：FPGA零基础学习精选 | SDR SDRAM 驱动设计

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责任编辑：haq