关于SDRAM控制器的基础知识详解

在FPGA视频图像处理系统中，经常需要使用到SDRAM作为视频图像缓存。SDRAM控制器可以分为上电初始化，自动刷新，读操作和写操作这四个部分，他们之间的转换可以通过状态机来控制。下面分别实现这几个部分。

1.SDRAM上电初始化

SDRAM上电初始化时序如下图所示。

由时序图可知初始化大概的过程为：上电后等待电源VDD和时钟信号稳定100μs（期间命令为空命令），同时在100μs内设置CKE（时钟使能）信号为高。随后对所有Bank发送预充电（PRECH ARGE）命令，发送两次自动刷新（REFRESH）命令，最后发送装载模式寄存器（LOAD MODE REGISTER）命令，并将设置寄存器的值传入地址总线A0~A11。

上述过程的实现可以通过线性序列机来实现。即需要对初始化过程时间进行计数，当时间到达时就执行某个命令。下面是部分代码。

1.计时器

2.命令执行时间设置

3.对应时间执行对应命令

 

2.SDRAM自动刷新

同样给出自动刷新的时序图。

过程比较简单：首先对所有Bank预充电，然后发送两次自动刷新命令。

同样可以使用线性序列机的方法来实现，这里就不重复了。但需要添加一个刷新状态标志。ref_opt_done=1表示刷新完成，ref_opt=1表示正在刷新。

 

3.SDRAM写操作

从时序图上看首先发出激活命令，并给出行地址Bank地址；随后发出写命令，并指定写入Bank，起始列地址和写入数据；最后进行预充电，关闭所有Bank。这里每次突发写入4个数据，即突发长度为4，突发长度可以在之前初始化的模式寄存器中设置。

同样使用序列机的实现方法，在写操作中也需要添加写操作完成状态标志，和过程状态标志。此外只有当写入突发长度数据的时候我们才使能数据线输入有效，其他时刻让数据线保持高阻态，所以要添加一个写数据状态标志Wr_data_valid=1时表示正在写数据。

 

4.SDRAM读操作

与写操作类似，但是我们输入读命令的时候，数据并不是立刻输出，而是要经过一个CAS_Latency后输出。这个延时也可以通过模式寄存器的配置来调整。我们同样需要给出读操作完成、读操作过程，读出突发数据的有效区间。

 

5.SDRAM控制器设计

首先SDRAM上电后进入空闲状态，初始化完成后进入刷新状态，然后根据输入命令进行转换，实际上状态机的控制对于刷新操作，读/写操作是有一个优先级的：刷新操作》写操作》读操作。即假设写命令和刷新命令同时到来时先执行刷新操作。下图为状态机的状态转移图。具体实现可参考完整代码。

由于SDRAM需要固定时间间隔刷新一次，我们还得考虑一个刷新定时器，固定时间产生一个刷新请求。

最后我们还需要考虑如果在读操作的时候，产生了刷新请求或写请求怎么办呢？写操作的时候，产生了刷新请求或读请求怎么办？或者在刷新操作时产生了读/写请求怎么办？

对于刷新请求的突然到来我们采取记住刷新标志，等待当前任务完成后进行刷新操作。

在刷新操作时读/写请求突然到来，我们也采取记住读/写标志，等待当前任务完成后进行读/写操作。

但是对于在读/写操作时外部读/写请求的到来，我们选择了忽略这次请求。部分代码如下。

由于视频信号数据读入读出都是连续不断的，因此在某些时刻会导致读写的遗漏，但一般会在SDRAM读出写入前加上一个FIFO进行缓存控制数据的读写，当写FIFO中数据大于一次突发长度时，使能写信号；当读FIFO中数据小于突发长度时，使能读信号，就可以解决这个问题。
编辑：lyn