STM32上的SDRAM硬件电路设计

SDRAM简介

SDRAM（synchronous dynamic random-access memory）即同步动态随机存取内存。在介绍SDRAM前，我们先了解下DRAM（Dynamic random-access memory），DRAR中文译为动态随机存取内存，也叫动态随机存取器，为什么叫动态随机存取器，原因是它的实现原理跟静态存储器SRAM不一样，DRAM是在芯片里集成很多个阵列的电容，DRAM存储二进制数据0和1就是通过给这些阵充放电荷实现。一个简单的单个DRAM存储单元示例图如下图所示。

单个DRAM单元实现电容充放电原理

电容C用来存储电荷，信号WRITE 1、WRITE 0控制开关晶体管Q1和Q2给电容充电和放电，实现二进制1和0存储。信号READ控制开关晶体管打开把电容C接到数据线DATA上，芯片内部处理电路通过读取DATA线上的电压信号来判断DRAM存储单元存储的数据为二进制1还是0。

从原理上去看DRAM实现数据存取很完美，但实际芯片按照上面的原理做好电路后，开关晶体管和电容本身都会有漏电流。漏电流会导致一个特别糟糕的情况，电容存储的电荷会慢慢通过漏电流方式流失掉，当电荷流失到一定的量后，内部电路读取电容的电压去判断数据时，就不能正确判断为二进制1了，这种情况下数据是错误。

这样的错误肯定是不允许发生的，解决办法是通过定时刷新方式给电容充电，保证电容存储的电荷量稳定在理想的状态。因为这样的过程是一个一直的动态过程，动态随机存取器的名称由此而来。而SDRAM是DRAM的一种操作方式，如下图所示，SDRAM读写数据时，是通过在时钟的上升沿同步获取控制、数据信号，所以叫做同步动态随机存取器。

SDRAM在时钟CLK上升沿时同步获取控制、数据信号

DRAM和SRAM优缺点：

1. SRAM读写速度快，DRAM读写速度慢。
2. SRAM耗电量低，DRAM耗电量大。
3. SRAM制造成本高，容量低，DRAM制造成本低，容量大。

SDRAM接口信号

SDRAM主要信号如下（256Mb容量示例）：

A0-A11: 地址信号。

BA0-BA1: Bank选择信号。

DQM0-DQM3: 读写数据掩码控制信号。

DQ0-DQ31: 数据信号。

CKE: 时钟使能信号。

CLK: 时钟信号。

CS: 片选信号。

CAS: 列地址选通控制信号。

RAS: 行地址选通控制信号。

WE: 写使能信号。

在上述罗列的信号中，A0-A11、BA0-BA1、CKE、CS、CAS、RAS、WE的不同组合，可以构成不同的Command如下图所示。

DRAM Commad真值表

从上图可以看到，DQ0-DQ31和DQM0-DQM3不参与组合成Command。这里说明下，DQMx是读写数据掩码信号，用于控制数据读写使能对应Byte的。它们的控制关系是DQM0控制DQ0-DQ7，DQM1控制DQ8-DQ15，以此类推。知道数据信号DQ0-DQ31不参与组合成Command后，在硬件设计的Layout阶段时，有时数据线不好走线，可以通过调换组内数据线来解决数据线Layout难度大问题。

注意这里说的组内调换是单个Byte内的信号，DQ0-DQ7为一组，DQ8-DQ15为一组，以此类推，不能跨组调换，跨组调换读写数据就错误了。

这里介绍的组内数据线调换不影响数据的正确性，可能会有很多人困惑，我做了个图如下说明解释。如下图中，左侧为主控信号，右侧为DRAM。主控要写数据0x0F到DRAM中，因为数据线在DRAM端被调换了，所以实际到DRAM内的数据变为0x1D。这样看像是数据错了，但我们再看主控从DRAM读数据的情况，主控读数据时，DRAM内的0x1D顺着信号线原路返回，变成了0x0F，错错得正。

所以DRAM信号线组内调线序不影响数据读写错误，但不能跨组调，不能跨组调的原因是即使有错错得正的逻辑，但是如果DQM信号没有使能对应的Byte，那就会导致数据缺失，所以必然出错。

在DRAM端做数据组内调换，不影响主控读写数据的正确性

当然，组内数据可调的这个思路，放在DDR3、DDR4等都可以的，但还是要先看DRAM规格书，确定数据线不参与任何Command组合，如果参与了就不能调，比如有的厂家的LPDDR就用了数据线来做Command。

STM32上的SDRAM电路设计

参考ST评估板MB1219的SDRAM部分电路如下，STM32使用SDRAM的目的是扩充芯片内存，由FMC接口控制，电路没什么复杂的，设计时注意了解各个信号的作用，然后参考规格书把信号一一对应连接上即可。

评估板MB1219使用的主控是STM32F769NI，参考STM32F7xx规格书第86页的Table 12. FMC pin definition的SDRAM栏，有详细的信号定义。下图中的BA0和BA1接的信号为A14和A15，这里没有错，是ST工程师在设计评估板时，FMC总线上还挂了SRAM和Nor Flash，而A14和A15是SRAM和Nor Flash的，但对应SDRAM实际为BA0和BA1。

SDRAM参考设计电路

完成原理图设计，后面剩下的是大家比较关心的Layout要不要做信号线等长的问题，这个问题在网上一直是很多人热衷讨论的一个问题，各有说法。其实对于SDRAM，只要走线不会长度差得特别离谱，比如差不多十几个厘米这样的，不等长影响不会很大，但如果PCB空间资源足够的话建议按照500mil的规则做等长。如下图ST的评估板MB1219就做了等长。

条件允许，推荐SDRAM做500mil约束等长