SDRAM控制器设计之control_interface.v代码解析

前言

control_interface.v文件里已经写了非常详尽的代码备注。本文继续对该文件代码进行讲解，并给出SignalTap波形辅助读者理解。

下图是本案例的功能框图。

control_interface.v文件对应图中SDRAM接口控制模块，该模块主要控制SDRAM命令的产生，包括空操作命令、预充电命令、自动刷新命令、加载模式寄存器命令和读写命令等。如下是该模块的RTL视图：

根据IS42R16320D 的时序图可知该SDRAM上电后约经过 200us 才进入稳定期，在这段时间不可以对 SDRAM 做任何的操作（除了发送NOP命令）， 200us 之后要对所有的区块进行预充电，接着再给SDRAM发送 8次自动刷新命令，最后才进行SDRAM模式寄存器的设定。完成了初始化过程之后，SDRAM 才能进行正常的读写操作。整个过程可简化为下图所示：

control_interface.v模块工作时钟100MHz，由Sdram_Control.v的PLL模块提供。以100MHz时钟周期计算，200us需要经历20000个周期。另外，参考IS42R16320D的datasheet或者参考02-SDRAM控制器的设计——解读IS42R16320D的数据手册可知预充电最少要2个时钟周期，自动刷新命令完成需要至少8个时钟周期，模式寄存器的设定至少也要2个时钟周期。为了保险起见，将预充电、自动刷新和模式寄存器设定等操作的等待周期都设定为20个时钟周期（也就是0.2us）。

代码里面首先设计两个计数器，第一个计数器是初始化动作的计时器。为了保险起见，初始化先等待24000个时钟周期：

从SignalTap波形图可以看到INIT_REQ在init_timer从0计数到24000以后拉低了。INIT_REQ拉高（绿色部分）指示了SDRAM开机后的输入稳定期。

把INIT_REQ和init_timer局部放大如下：

代码里面实现预充电操作等待20个时钟周期：

代码里面实现每次自动刷新都等待20个时钟周期（总共8次）：

第二个计数器是正常读写时的自动刷新间隔计时器，因为SDRAM必须要不断进行刷新才能保留数据 ，由IS42R16320D数据手册可知每一行刷新的循环周期最多为64ms。DE10-Standard开发板上的SDRAM有13位的行地址，共有8192行，而每一次的刷新命令只能对一行有效，所以在最长 64ms / 8192 = 7.8125us 的时间间隔内，就必须发一次刷新的命令。在工作时钟100M下，这里刷新周期设置为768。

从SignalTap波形图可以看到timer的值在输入稳定等待期（INIT_REQ为高）一直是968：

INIT_REQ拉低以后timer开始倒数计数：

初始化操作结束后timer的计数周期就变成了768：

可能读者疑惑这里为什么中间有三个周期timer的值是65535、65534、65533，而不是马上变为768呢？

其实可以结合这个图看：

1. timer 为0；

2. timer为0 的下个时钟周期 REFRESH_cycle 为1，timer值继续减一，为65535；

3. 继而下个时钟周期 do_refresh 为1，timer值继续减一，为65534；

4. 继而下个时钟周期 REF_ACK 为1，timer值继续减一，为65533；
5. 继而在下个时钟周期的时候 timer 赋值为768。

注意本文件当中REFRESH_init和REFRESH_cycle都是指示自动刷新操作的命令，都会控制SDRAM控制器去发送RASCASWE组合是001的命令，它们只是指示的是不同状态下的自动刷新。

读写指令译码的代码部分如下，当CMD值为000时，对应NOP指令，当CMD值为001对应读指令，当CMD值为010时对应写指令：

再来看CM_ACK和CMD_ACK信号。大家可能会疑惑为什么要弄CM_ACK和CMD_ACK这两个变量呢？

首先看输入信号CM_ACK。由command.v文件可知当do_refresh || do_reada || do_writea || do_precharge || do_load_mode有效时，CM_ACK=1：

而只有接收到WRITEA、READA、PRECHARGE、LOAD_MODE等命令时do_refresh 、 do_reada 、 do_writea 、do_precharge 、 do_load_mode这些信号会拉高：

所以CM_ACK信号用于接收指令。它主要指示预充电指令、初始化状态下的自动更新命令、加载模式寄存器指令和读写指令的接收。

因为接收指令不一定会执行，CMD_ACK用于判断接收到的指令是否执行。所以当CM_ACK有效（接收到了指令），CMD_ACK无效（无效说明当前没有别的指令在执行）时，才令CMD_ACK有效。

CM_ACK与CMD_ACK信号波形参考下图：

PS：本文的波形图来自文件~sdramcontroloutput_filesinterface.stp