【黑金原创教程】【FPGA那些事儿-驱动篇I 】实验十八：SDRAM模块① — 单字读写
实验十八：SDRAM模块① — 单字读写
笔者与SDRAM有段不短的孽缘，它作为冤魂日夜不断纠缠笔者。笔者尝试过许多方法将其退散，不过屡试屡败的笔者，最终心情像橘子一样橙。《整合篇》之际，笔者曾经大战几回儿，不过内容都是点到即止。最近它破蛊而出，日夜不停：“好~痛苦！好~痛苦！”地呻吟着，吓得笔者不敢半夜如厕。疯狂之下，誓要歪它不可 ... 可恶的东西，笔者要它血债血还！
图18.1 数据读取（理想时序左，物理时序右）。
首先，让我们来了解一下，什么才是数据读取的最佳状态？如图18.1所示，红色箭头是上升沿，绿色箭头是锁存沿。左图是理想时序读取数据的最佳状态，即T0发送数据，T1锁存数据。右图则是物理时序读取数据的最佳状态，即T0发送数据，然后数据经由 TDATA延迟，然后T1锁存数据。理想状态下，读取数据不用考虑任何物理因数，凡是过去值都会读取成功。
图18.2 读取数据（物理时序）。
然而物理状态下，读取数据则必须考虑物理因数，但是物理时序也有所谓的理想状态，即数据被TDATA推挤，然后恰好停留在锁存沿的正中间。该状态之所以称为理想，那是因为建立时间TSETUP与保持时间THOLD都被满足。
如图18.2所示，TSETUP从数据中间向左边覆盖，THOLD从数据中间向右边覆盖，如果两者不完全覆盖数据，那么数据的有效性就能得到保证。简言之，数据是否读取成功，建立时间还有保持时间都必须得到满足。但是我们也知道，Verilog不能描述理想以外的东西，即Verilog无力描述TDATA。话虽如此，我们可以改变时钟位移来达到同样的效果。
图18.3 CLOCK1位移 -180°（左图），没有位移（中图），CLOCK2 位移 +180°（右图），以及修正结果。
常见的理想时序，最多适用在FPGA的内部而已。当描述功活动涉及FPGA的外部，那么理想时序必须考虑对外的情况。如图18.3所示，中间的理想时序图可以经由 CLOCK1 位移 -180°，又或者 CLOCK2 位移 +180° 来得到同样的效果。虽说180° 的位移是理想效果，但是我们还要考虑物理路径所带来的影响。根据Alinix 301这只开发板，我们必须追加 -30° 位移才能达到修正的效果。（注意：追加-30° 的修正时序仅仅为适用Alinix 301这只板子而已）。理解完毕以后，我们便可进入正题。
驱动SDRAM而言，简单可以分为以下四项操作：
（一）初始化
（二）刷新操作
（三）读操作
（四）写操作
初始化令SDRAM就绪，刷新操作就是不失掉内容（数据），读操作就是从SDRAM哪里读取数据，写操作就是向SDRAM写数据。其中，读写操作又有单字读写，多字读写还有页读写。
首先，让我们来分析一下Alinx 开发板上HY57V2562GTR 这只SDRAM。根据手册，这只SDRAM有256Mb的容量，4个BANK（即一个BANK为64Mb)，频率极限为200Mhz，数据保留周期为 8192 / 64ms。至于引脚定义如表18.1所示：
表18.1 SDRAM的引脚定义
|
分类 |
标示 |
信号 |
说明 |
|
时钟信号 |
CLK |
S_CLK |
时钟源 |
|
地址信号 |
BA0~1 |
S_BA[1:0] |
BANK地址 |
|
A0~A12 |
S_A[12:0] |
读写地址，行列共用，A0~A12为行地址，CA0~CA8为列地址 |
|
|
命令信号 |
CKE |
S_CKE, |
时钟选，拉高有效 |
|
CS |
S_NCS, |
片选，拉低有效 |
|
|
RAS |
S_NRAS, |
命令选，拉低有效 |
|
|
CAS |
S_NCAS, |
命令选，拉低有效 |
|
|
WE |
S_NWE |
命令选，拉低有效 |
|
|
数据信号 |
DQ0~DQ15 |
S_DQ[15:0] |
读写数据的IO |
|
LDQM，UDQM |
S_DQM[1:0] |
遮盖数据，一般拉低无视 |
如表18.1所示，CLK为SDRAM的时钟源。CKE，CS，RAS，CAS还有WE皆为命令信号，五者相互组合形成以下几个常用命令，结果如表18.2所示：
表18.2 常用命令。
|
命令 |
CKE |
CS |
RAS |
CAS |
WE |
说明 |
|
NOP |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
空命令 |
|
ACT |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
激活命令，选择Bank地址与行地址 |
|
WR |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
写命令，开始写数据 |
|
RD |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
读命令，开始读数据 |
|
BSTP |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
停止命令，停止读写 |
|
PR |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
预充命令，释放选择 |
|
AR |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
刷新命令，刷新内容 |
|
LMR |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
设置命令，设置SDRAM |
l NOP为No Operation，即空命令，除了给空时间以外没有任何意义。
l ACT为Active，即激活命令，用来选择某Bank某行。
l WR为Write，即写命令，通知设备开始写数据。
l RD为Read，即读命令，通知设备开始读数据。
l BSTP为Burst Stop，即停止命令，禁止设备继续读写。
l PR为 Precharge，即预充命令，用来释放某Bank与某行的选择。
l AR为Auto Refresh，即刷新命令，用来刷新或者更新数据内容。
l LMR为Load Mode Register，即设置命令，用来配置设备参数。
Verilog则可以这样描述这些命令，结果如代码18.1所示：
parameter _INIT = 5'b01111, _NOP = 5'b10111, _ACT = 5'b10011, _RD = 5'b10101, _WR = 5'b10100,
_BSTP = 5'b10110, _PR = 5'b10010, _AR = 5'b10001, _LMR = 5'b10000;
代码18.1
DQ0~DQ15为数据信号。BA0~1与A0~A12皆为地址信号，其中A0~A12行列共用，，然而地址信号可以指向的范围，如下计算：
2（2 Bank ＋ 13 Row ＋ 9 Column） × 16 bit = 224 × 16 bit
= 1.6777216e7 × 16 bit // 16M × 16 bit
= 2.68435456e8 bit
= 262144 kbit
= 256 Mbits
初始化：
初始化除了就绪SDRAM以外，我们还要设置SDRAM内部的 Mode Register，设置内容内容如表18.3所示：
表18.3 Mode Register的内容。
|
Mode Register |
||||||||||||
|
A12 |
A11 |
A10 |
A9 |
A8 |
A7 |
A6 |
A5 |
A4 |
A3 |
A2 |
A1 |
A0 |
|
0 |
0 |
OP Code |
0 |
0 |
CAS Latency |
BT |
Burst Length |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
如表18.3所示，设置内容必须经由地址信号A12~A0。其中A2~A0表示字读写的长度，实验十八为单字读写，所以A2~A0设置为3’b000。A3表示读写次序，1’b0表示顺序读写。A6~A4表示 CAS 延迟（也可以视为读出延迟），设为 3’b011是为读出更稳定。A9表示读写模式，一般都是设置为1’b0。
图18.4 初始化的理想时序图。
图18.4是初始化的理想时序图，其中CLOCK1为 -210°的系统时钟，CLOCK2为SDRAM的时钟。rCMD为CKE，CS，RAS，CAS还有WE等命令。rA为A0~A12，rBA为BA0~BA1等地址信号。初始化过程如下所示：
l T0，满足100us；
l T1，发送PR命令，拉高所有rA与rBA。
l T1半周期，SDRAM读取。
l T2，满足TRP；
l T3，发送AR命令。
l T3半周期，SDRAM读取。
l T4，满足TRRC，
l T5，发送AR命令。
l T5半周期，SDRAM读取。
l T6，满足TRRC，
l T7，发送LMR命令与相关Code（设置内容）。
l T7半周期，SDRAM读取。
l T8，满足TMRD。
怎么样？读者是不是觉得很单纯呢？事后，Verilog则可以这样描述，结果如代码18.2所示：
1. case( i )
2.
3. 0: // delay 100us
4. if( C1 == T100US -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end
5. else begin C1 <= C1 + 1'b1; end
6.
7. 1: // Send Precharge Command
8. begin rCMD <= _PR; { rBA, rA } <= 15'h3fff; i <= i + 1'b1; end
9.
10. 2: // wait TRP 20ns
11. if( C1 == TRP -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end
12. else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end
13.
14. 3: // Send Auto Refresh Command
15. begin rCMD <= _AR; i <= i + 1'b1; end
16.
17. 4: // wait TRRC 63ns
18. if( C1 == TRRC -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end
19. else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end
20.
21. 5: // Send Auto Refresh Command
22. begin rCMD <= _AR; i <= i + 1'b1; end
23.
24. 6: // wait TRRC 63ns
25. if( C1 == TRRC -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end
26. else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end
27.
28. 7: // Send LMR Cmd. Burst Read & Write, 3'b011 mean CAS latecy = 3, Sequential, 1 burst length
29. begin rCMD <= _LMR; rBA <= 2'b11; rA <= {3'd0,1'b0,2'd0,3'b011,1'b0, 3'b000}; i <= i + 1'b1; end
30.
31. 8: // Send 2 nop CLK for tMRD
32. if( C1 == TMRD -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end
33. else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end
34.
35. 9: // Generate done signal
36. begin isDone <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end
37.
38. 10:
39. begin isDone <= 1'b0; i <= 4'd0; end
40.
41. endcase
代码18.2
代码18.2完全按照图18.4去驱动，读者只要将i看为T就万事大吉，其中步骤7发送LMR命令还有设置Code内容。至于步骤8~9则用来产生完成信号。
刷新操作：
图18.5 刷新操作的理想时序图。
所谓定期刷新就是被宫掉的初始化，如图18.5所示，时序过程如下：
l T0，发送PR命令（拉高所有rA与rBA视喜好而定）；
l T0半周期，SDRAM读取。
l T1，满足TRP；
l T2，发送AR命令。
l T2半周期，SDRAM读取。
l T3，满足TRRC，
l T4，发送AR命令。
l T4半周期，SDRAM读取。
l T5，满足TRRC，
Verilog 则可以这样表示，结果如表18.3所示：
1. case( i )
2.
3. 0: // Send Precharge Command
4. begin rCMD <= _PR; i <= i + 1'b1; end
5.
6. 1: // wait TRP 20ns
7. if( C1 == TRP -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end
8. else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end
9.
10. 2: // Send Auto Refresh Command
11. begin rCMD <= _AR; i <= i + 1'b1; end
12.
13. 3: // wait TRRC 63ns
14. if( C1 == TRRC -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end
15. else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end
16.
17. 4: // Send Auto Refresh Command
18. begin rCMD <= _AR; i <= i + 1'b1; end
19.
20. 5: // wait TRRC 63ns
21. if( C1 == TRRC -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end
22. else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end
23.
24. 6: // Generate done signal
25. begin isDone <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end
26.
27. 7:
28. begin isDone <= 1'b0; i <= 4'd0; end
29.
30. endcase
代码18.3
除了步骤6~7用来产生完成信号以外，代码18.3都是据图18.5描述。SDRAM储存的内容是非常脆弱的，如果我们不定期刷新内容，该内容有可能会蒸发掉。根据 HY57V2562GTR这只 SDRAM，它的内容储存周期为 8192 / 64ms，然而定期刷新的计算如下：
64ms / 8192 = 7.8125us
换言之，每隔7.8125微妙就要刷新一次所有内容。
写操作：
图18.6 写操作的理想时序图。
图18.6是写操作的理想时序图，过程如下：
l T1，发送ACT命令，BANK地址与行地址；
l T1半周期，SDRAM读取；
l T2，满足TRCD；
l T3，发送WR命令，BANK地址与列地址，还有写数据；
l T3半周期，SDRAM读取
l T4，满足TWR；
l T5，满足TRP。
正如前面说过，ACT命令式用来选择BANK地址与行地址，然而关键就在T3。T3除了发送WR命令，列地址，还有些数据以外，A10拉高是为了执行预充电。所谓预充电就是释放BANK地址，行地址与列地址等的选择。因此，满足TWR以后，我们还要满足TRP的释放时间，好让SDRAM有足够的时间自行释放选择。
Verilog则可以这样描述，结果如代码18.4所示：
1. case( i )
2.
3. 0: // Set IO to output State
4. begin isOut <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end
5.
6. 1: // Send Active Command with Bank and Row address
7. begin rCMD <= _ACT; rBA <= iAddr[23:22]; rA <= iAddr[21:9]; i <= i + 1'b1; end
8.
9. 2: // wait TRCD 20ns
10. if( C1 == TRCD -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end
11. else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end
12.
13. 3: // Send Write cmd with row address, pull up A10 1 clk to PR
14. begin rCMD <= _WR; rBA <= iAddr[23:22]; rA <= { 4'b0010, iAddr[8:0] }; i <= i + 1'b1; end
15.
16. 4: // wait TWR 2 clock
17. if( C1 == TWR -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end
18. else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end
19.
20. 5: // wait TRP 20ns
21. if( C1 == TRP -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end
22. else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end
23.
24. 6: // Generate done signal
25. begin isDone <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end
26.
27. 7:
28. begin isDone <= 1'b0; i <= 4'd0; end
29.
30. endcase
代码18.4
根据前面的计算，BA1~BA0再加上 RA12~A0与 CA8~A0以后，一共有24位宽，详细的位分配如表18.4所示：
表18.4 Addr的位分配。
|
位分配 |
地址内容 |
|
Addr[23:22] |
BANK地址 |
|
Addr[21：9] |
行地址 |
|
Addr[8:0] |
列地址 |
如代码18.4所示，步骤用来设置IO口为输出。步骤1为rA赋值行地址，步骤3则为rA赋值列地址，并且拉高A10以示自行预充电。步骤6~7用来产生完成信号。
读操作：
图18.7 读操作的理想时序。
图18.7为读操作的理想时序，大致过程如下：
l T1，发送ACT命令，BANK地址与行地址；
l T1半周期，SDRAM读取；
l T2，满足TRCD；
l T3，发送RD命令，BANK地址与列地址；
l T3半周期，SDRAM读取命令。
l T4，满足 CAS Latency。
l T5，读取数据。
l T6，满足TRP。
读操作与写操作的过程大同小异，除了WR命令变成RD命令以外，A10为1同样表示自行预充电，余下就是满足CAS Latency。好奇的同学一定会觉得疑惑，为何CL 为3呢？其实没什么，只是直感上觉得3这个数字比较顺眼一点。注意CL的计算方式是读取RD命令以后开始计算。
Verilog可以这样描述，结果如代码18.5所示：
1. case( i )
2.
3. 0:
4. begin isOut <= 1'b0; D1 <= 16'd0; i <= i + 1'b1; end
5.
6. 1: // Send Active command with Bank and Row address
7. begin rCMD <= _ACT; rBA <= iAddr[23:22]; rA <= iAddr[21:9]; i <= i + 1'b1; end
8.
9. 2: // wait TRCD 20ns
10. if( C1 == TRCD -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end
11. else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end
12.
13. 3: // Send Read command and column address, pull up A10 to PR.
14. begin rCMD <= _RD; rBA <= iAddr[23:22]; rA <= { 4'b0010, iAddr[8:0]}; i <= i + 1'b1; end
15.
16. 4: // wait CL 3 clock
17. if( C1 == CL -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end
18. else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end
19.
20. 5: // Read Data
21. begin D1 <= S_DQ; i <= i + 1'b1; end
22.
23. 6: // wait TRP 20ns
24. if( C1 == TRP -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end
25. else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end
26.
27. 7: // Generate done signal
28. begin isDone <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end
29.
30. 8:
31. begin isDone <= 1'b0; i <= 4'd0; end
32.
33. endcase
代码18.5
代码18.5完全根据图18.7描述，除了步骤7~8用于产生完成信号以外。SDRAM的基本操作大致上就是这样而已，完后我们便可以开始建模了。
图18.8 SDRAM基础模块的建模图。
图18.8是SDRAM基础模块的建模图，SDRAM基础模块的内容包括SDRAM控制模块，还有SDRAM功能模块。外围的PLL模块应用频率为133Mhz向左位移210°的CLOCK1，还有133Mhz的CLOCK2。CLOCK1用作系统时钟，CLOCK用作SDRAM时钟。如果PLL模块硬要分类的话，它应该属于特殊性质的即时类吧！？
SDRAM控制模块主要负责一些操作的调度，左边2位Call/Done由外部调用，其中 [1]为写操作 [0]为读操作；右边4位Call/Done为调用SDRAM功能模块，其中 [3]为写操作 [2]为读操作 [1]为刷新 [0]为初始化。SDRAM功能模块的右边是驱动SDRAM硬件资源的顶层信号，左边的问答信号被控制模块调用以外，地址信号还有数据信号都直接连接外部。
sdram_funcmod.v
图18.9 SDRAM功能模块的建模图。
该说的东西笔者都已经说了，具体内容我们还是来看代码吧。
1. module sdram_funcmod
2. (
3. input CLOCK,
4. input RESET,
5.
6. output S_CKE, S_NCS, S_NRAS, S_NCAS, S_NWE,
7. output [1:0]S_BA,
8. output [12:0]S_A,
9. output [1:0]S_DQM,
10. inout [15:0]S_DQ,
11.
12. input [3:0]iCall,
13. output oDone,
14. input [23:0]iAddr, // [23:22]BA,[21:9]Row,[8:0]Column
15. input [15:0]iData,
16. output [15:0]oData
17. );
以上内容为相关的出入端声明。
18. parameter T100US = 14'd13300;
19. // tRP 20ns, tRRC 63ns, tRCD 20ns, tMRD 2CLK, tWR/tDPL 2CLK, CAS Latency 3CLK
20. parameter TRP = 14'd3, TRRC = 14'd9, TMRD = 14'd2, TRCD = 14'd3, TWR = 14'd2, CL = 14'd3;
21. parameter _INIT = 5'b01111, _NOP = 5'b10111, _ACT = 5'b10011, _RD = 5'b10101, _WR = 5'b10100,
22. _BSTP = 5'b10110, _PR = 5'b10010, _AR = 5'b10001, _LMR = 5'b10000;
23.
以上内容为相关的常量声明，其中第18~20行的是将常量都是经由133Mhz量化。
24. reg [4:0]i;
25. reg [13:0]C1;
26. reg [15:0]D1;
27. reg [4:0]rCMD;
28. reg [1:0]rBA;
29. reg [12:0]rA;
30. reg [1:0]rDQM;
31. reg isOut;
32. reg isDone;
33.
34. always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET )
35. if( !RESET )
36. begin
37. i <= 4'd0;
38. C1 <= 14'd0;
39. D1 <= 16'd0;
40. rCMD <= _NOP;
41. rBA <= 2'b11;
42. rA <= 13'h1fff;
43. rDQM <= 2'b00;
44. isOut <= 1'b1;
45. isDone <= 1'b0;
46. end
以上内容为相关的寄存器声明以及复位操作。
47. else if( iCall[3] )
48. case( i )
49.
50. 0: // Set IO to output State
51. begin isOut <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end
52.
53. 1: // Send Active Command with Bank and Row address
54. begin rCMD <= _ACT; rBA <= iAddr[23:22]; rA <= iAddr[21:9]; i <= i + 1'b1; end
55.
56. 2: // wait TRCD 20ns
57. if( C1 == TRCD -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end
58. else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end
59.
60. /*********************************************/
61.
62. 3: // Send Write command with row address, pull up A10 1 clk to PR
63. begin rCMD <= _WR; rBA <= iAddr[23:22]; rA <= { 4'b0010, iAddr[8:0] }; i <= i + 1'b1; end
64.
65. 4: // wait TWR 2 clock
66. if( C1 == TWR -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end
67. else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end
68.
69. 5: // wait TRP 20ns
70. if( C1 == TRP -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end
71. else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end
72.
73. /**********************************************/
74.
75. 6: // Generate done signal
76. begin isDone <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end
77.
78. 7:
79. begin isDone <= 1'b0; i <= 4'd0; end
80.
81. endcase
以上内容为部分核心操作。第47行的if( iCall[3] ) 表示余下内容为写操作。
82. else if( iCall[2] )
83. case( i )
84.
85. 0:
86. begin isOut <= 1'b0; D1 <= 16'd0; i <= i + 1'b1; end
87.
88. 1: // Send Active command with Bank and Row address
89. begin rCMD <= _ACT; rBA <= iAddr[23:22]; rA <= iAddr[21:9]; i <= i + 1'b1; end
90.
91. 2: // wait TRCD 20ns
92. if( C1 == TRCD -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end
93. else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end
94.
95. /********************/
96.
97. 3: // Send Read command and column address, pull up A10 to PR
98. begin rCMD <= _RD; rBA <= iAddr[23:22]; rA <= { 4'b0010, iAddr[8:0]}; i <= i + 1'b1; end
99.
100. 4: // wait CL 3 clock
101. if( C1 == CL -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end
102. else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end
103.
104. /********************/
105.
106. 5: // Read Data
107. begin D1 <= S_DQ; i <= i + 1'b1; end
108.
109. /********************/
110.
111. 6: // wait TRP 20ns
112. if( C1 == TRP -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end
113. else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end
114.
115. /********************/
116.
117. 7: // Generate done signal
118. begin isDone <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end
119.
120. 8:
121. begin isDone <= 1'b0; i <= 4'd0; end
122.
123. endcase
以上内容为部分核心操作。第82行的if( iCall[2] ) 表示余下内容为读操作。
124. else if( iCall[1] )
125. case( i )
126.
127. 0: // Send Precharge Command
128. begin rCMD <= _PR; i <= i + 1'b1; end
129.
130. 1: // wait TRP 20ns
131. if( C1 == TRP -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end
132. else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end
133.
134. 2: // Send Auto Refresh Command
135. begin rCMD <= _AR; i <= i + 1'b1; end
136.
137. 3: // wait TRRC 63ns
138. if( C1 == TRRC -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end
139. else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end
140.
141. 4: // Send Auto Refresh Command
142. begin rCMD <= _AR; i <= i + 1'b1; end
143.
144. 5: // wait TRRC 63ns
145. if( C1 == TRRC -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end
146. else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end
147.
148. /********************/
149.
150. 6: // Generate done signal
151. begin isDone <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end
152.
153. 7:
154. begin isDone <= 1'b0; i <= 4'd0; end
155.
156. endcase
以上内容为部分核心操作。第124行的if( iCall[1] ) 表示余下内容为刷新操作。
157. else if( iCall[0] )
158. case( i )
159.
160. 0: // delay 100us
161. if( C1 == T100US -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end
162. else begin C1 <= C1 + 1'b1; end
163.
164. /********************/
165.
166. 1: // Send Precharge Command
167. begin rCMD <= _PR; { rBA, rA } <= 15'h3fff; i <= i + 1'b1; end
168.
169. 2: // wait TRP 20ns
170. if( C1 == TRP -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end
171. else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end
172.
173. 3: // Send Auto Refresh Command
174. begin rCMD <= _AR; i <= i + 1'b1; end
175.
176. 4: // wait TRRC 63ns
177. if( C1 == TRRC -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end
178. else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end
179.
180. 5: // Send Auto Refresh Command
181. begin rCMD <= _AR; i <= i + 1'b1; end
182.
183. 6: // wait TRRC 63ns
184. if( C1 == TRRC -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end
185. else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end
186.
187. /********************/
188.
189. 7: // Send LMR Cmd. Burst Read & Write, 3'b010 mean CAS latecy = 3, Sequential, 1 burst length
190. begin rCMD <= _LMR; rBA <= 2'b11; rA <= { 3'd0, 1'b0, 2'd0, 3'b011, 1'b0, 3'b000 }; i <= i + 1'b1; end
191.
192. 8: // Send 2 nop CLK for tMRD
193. if( C1 == TMRD -1 ) begin C1 <= 14'd0; i <= i + 1'b1; end
194. else begin rCMD <= _NOP; C1 <= C1 + 1'b1; end
195.
196. /********************/
197.
198. 9: // Generate done signal
199. begin isDone <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end
200.
201. 10:
202. begin isDone <= 1'b0; i <= 4'd0; end
203.
204. endcase
205.
以上内容为部分核心操作。第157行的if( iCall[0] ) 表示余下内容为初始化。
206. assign { S_CKE, S_NCS, S_NRAS, S_NCAS, S_NWE } = rCMD;
207. assign { S_BA, S_A } = { rBA, rA };
208. assign S_DQM = rDQM;
209. assign S_DQ = isOut ? iData : 16'hzzzz;
210. assign oDone = isDone;
211. assign oData = D1;
212.
213. endmodule
以上内容为相关的输出驱动声明，注意 iData直接驱动 S_DQ。
sdram_ctrlmod.v
图18.10 SDRAM控制模块的建模图。
前面说过该模块负责一些功能调用，此外该模块也负责定时刷新的计算，具体内容我们还是来看代码吧。
1. module sdram_ctrlmod
2. (
3. input CLOCK,
4. input RESET,
5. input [1:0]iCall, // [1]Write, [0]Read
6. output [1:0]oDone,
7. output [3:0]oCall,
8. input iDone
9. );
10. parameter WRITE = 4'd1, READ = 4'd4, REFRESH = 4'd7, INITIAL = 4'd8;
11. parameter TREF = 11'd1040;
12.
以上内容为相关的出入端声明。第10行是各个入口地址的常量声明，第11行则是定时刷新的周期——7.8125us。
13. reg [3:0]i;
14. reg [10:0]C1;
15. reg [3:0]isCall; //[3]Write [2]Read [1]A.Refresh [0]Initial
16. reg [1:0]isDone;
17.
18. always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET )
19. if( !RESET )
20. begin
21. i <= INITIAL; // Initial SDRam at first
22. C1 <= 11'd0;
23. isCall <= 4'b0000;
24. isDone <= 2'b00;
25. end
以上内容为相关的寄存器声明以及复位操作。第21行表示i首先会指向初始化。
26. else
27. case( i )
28.
29. 0: // IDLE
30. if( C1 >= TREF ) begin C1 <= 11'd0; i <= REFRESH; end
31. else if( iCall[1] ) begin C1 <= C1 + 1'b1; i <= WRITE; end
32. else if( iCall[0] ) begin C1 <= C1 + 1'b1; i <= READ; end
33. else begin C1 <= C1 + 1'b1; end
34.
35. /***********************/
36.
以上内容为部分核心操作。步骤0为待机状态，期间第33行的C1会一直递增，如果期间没有任何读写操作，而且C1的计数内容也超过 TREF，那么C1会清零，i指向REFRESH（第30行）。反之，如果读写操作被使能，i指向相关的步骤入口，期间C1也会递增以示步骤翻转所用掉的时钟。
37. 1: //Write
38. if( iDone ) begin isCall[3] <= 1'b0; C1 <= C1 + 1'b1; i <= i + 1'b1; end
39. else begin isCall[3] <= 1'b1; C1 <= C1 + 1'b1; end
40.
41. 2:
42. begin isDone[1] <= 1'b1; C1 <= C1 + 1'b1; i <= i + 1'b1; end
43.
44. 3:
45. begin isDone[1] <= 1'b0; C1 <= C1 + 1'b1; i <= 4’d0; end
46.
47. /***********************/
48.
以上内容为部分核心操作。步骤1~3是写操作。步骤1表示，功能模块反馈完成信号之前，C1会不停递增。当完成信号接收到手，isCall[3]拉低，C1递增，i也递增。步骤2~3则是用来反馈写操作的完成信号，期间C1也会递增。
49. 4: // Read
50. if( iDone ) begin isCall[2] <= 1'b0; C1 <= C1 + 1'b1; i <= i + 1'b1; end
51. else begin isCall[2] <= 1'b1; C1 <= C1 + 1'b1; end
52.
53. 5:
54. begin isDone[0] <= 1'b1; C1 <= C1 + 1'b1; i <= i + 1'b1; end
55.
56. 6:
57. begin isDone[0] <= 1'b0; C1 <= C1 + 1'b1; i <= 4'd0; end
58.
59. /***********************/
60.
以上内容为部分核心操作。步骤4~6是读操作。步骤4表示接收完成信号之前，isCall[2]会不停拉高，C1也会不停递增 ... 直至接收完成信号，isCall[2]才会拉低，然而C1也会递增。步骤5~6用反馈读操作的完成信号。
61. 7: // Auto Refresh
62. if( iDone ) begin isCall[1] <= 1'b0; i <= 4'd0; end
63. else begin isCall[1] <= 1'b1; end
64.
65. /***********************/
66.
以上内容为部分核心操作。步骤7是刷新操作，接收完成信号之前 isCall[1] 会不停拉高，直至接收完成信号为止，isCall[1]才会拉低，然后i指向步骤0。
67. 8: // Initial
68. if( iDone ) begin isCall[0] <= 1'b0; i <= 4'd0; end
69. else begin isCall[0] <= 1'b1; end
70.
71. endcase
72.
73. assign oDone = isDone;
74. assign oCall = isCall;
75.
76. endmodule
以上内容为部分核心操作。步骤8用来执行初始化，接收完成信号之前，isCall[0]会不停拉高，直至接收完成信号为止，isCall[0]才会拉低，然后i指向步骤0。第73~74行则是相关的输出驱动。整体而言，除了读写操作必须反馈完成信号给上层以外，其余的定期刷新还有初始化都是该内部操作，所以不用反馈完成信号。
sdram_basemod.v
内容的连线部署完全依照图18.8。
1. module sdram_basemod
2. (
3. input CLOCK,
4. input RESET,
5.
6. output S_CKE, S_NCS, S_NRAS, S_NCAS, S_NWE,
7. output [1:0]S_BA,
8. output [12:0]S_A,
9. output [1:0]S_DQM,
10. inout [15:0]S_DQ,
11.
12. input [1:0]iCall,
13. output [1:0]oDone,
14. input [23:0]iAddr,
15. input [15:0]iData,
16. output [15:0]oData
17. );
以上内容为相关的出入端声明，第5~10行是顶层信号，第12~16行是模块左右两边的信号。
18. wire [3:0]CallU1; // [3]Refresh, [2]Read, [1]Write, [0]Initial
19.
20. sdram_ctrlmod U1
21. (
22. .CLOCK( CLOCK ),
23. .RESET( RESET ),
24. .iCall( iCall ), // < top ,[1]Write [0]Read
25. .oDone( oDone ), // > top ,[1]Write [0]Read
26. .oCall( CallU1 ), // > U2
27. .iDone( DoneU2 ) // < U2
28. );
29.
以上内容为控制模块的实例化。
30. wire DoneU2;
31.
32. sdram_funcmod U2
33. (
34. .CLOCK( CLOCK ),
35. .RESET( RESET ),
36. .S_CKE( S_CKE ), // > top
37. .S_NCS( S_NCS ), // > top
38. .S_NRAS( S_NRAS ), // > top
39. .S_NCAS( S_NCAS ), // > top
40. .S_NWE( S_NWE ), // > top
41. .S_BA( S_BA ), // > top
42. .S_A( S_A ), // > top
43. .S_DQM( S_DQM ), // > top
44. .S_DQ( S_DQ ), // <> top
45. .iCall( CallU1 ), // < U1
46. .oDone( DoneU2 ), // > U1
47. .iAddr( iAddr ), // < top
48. .iData( iData ), // < top
49. .oData( oData ) // > top
50. );
51.
52. endmodule
以上内容为功能模块的实例化。
sdram_demo.v
图18.11 实验十八的建模图。
图18.11是实验十八的建模图，其中sdram_demo包含PLL模块，核心操作还有SDRAM基础模块。PLL模块将50Mhz的时钟倍频为133Mhz而且左移210° 的CLOCK1，还有133Mhz的CLOCK2，它直接驱动S_CLK顶层信号。核心操作负责调用SDRAM基础模块，并且将读写内容经由TXD发送出去。SDRAM基础模块左边的问答信号只有两位，其中[1]为写 [0]为读，具体内容我们还是来看代码吧。
1. module sdram_demo
2. (
3. input CLOCK,
4. input RESET,
5. output S_CLK,
6. output S_CKE, S_NCS, S_NRAS, S_NCAS, S_NWE,
7. output [12:0]S_A,
8. output [1:0]S_BA,
9. output [1:0]S_DQM,
10. inout [15:0]S_DQ,
11. output TXD
12. );
以上内容为相关的出入端声明。
13. wire CLOCK1,CLOCK2;
14.
15. pll_module U1
16. (
17. .inclk0 ( CLOCK ), // 50Mhz
18. .c0 ( CLOCK1 ), // 133Mhz -210 degree phase
19. .c1 ( CLOCK2 ) // 133Mhz
20. );
21.
以上内容为PLL模块的实例化，CLOCK1为133Mhz频率并且左移210°，CLOCK2为133Mhz频率，并且直接驱动 S_CLK。
22. wire [1:0]DoneU2;
23. wire [15:0]DataU2;
24.
25. sdram_basemod U2
26. (
27. .CLOCK( CLOCK1 ),
28. .RESET( RESET ),
29. .S_CKE( S_CKE ),
30. .S_NCS( S_NCS ),
31. .S_NRAS( S_NRAS ),
32. .S_NCAS( S_NCAS ),
33. .S_NWE( S_NWE ),
34. .S_A( S_A ),
35. .S_BA( S_BA ),
36. .S_DQM( S_DQM ),
37. .S_DQ( S_DQ ),
38. .iCall( isCall ),
39. .oDone( DoneU2 ),
40. .iAddr( D1 ),
41. .iData( D2 ),
42. .oData( DataU2 )
43. );
44.
以上内容为SDRAM基础模块的实例化，第40~41行表示 iAddr为D1驱动，iData为D2驱动。
45. parameter B115K2 = 11'd1157, TXFUNC = 6'd16;
46.
47. reg [5:0]i,Go;
48. reg [10:0]C1;
49. reg [23:0]D1;
50. reg [15:0]D2,D3;
51. reg [10:0]T;
52. reg [1:0]isCall;
53. reg rTXD;
54.
55. always @ ( posedge CLOCK1 or negedge RESET )
56. if( !RESET )
57. begin
58. i <= 6'd0;
59. Go <= 6'd0;
60. C1 <= 11'd0;
61. D1 <= 24'd0;
62. D2 <= 16'd0;
63. D3 <= 16'd0;
64. T <= 11'd0;
65. isCall <= 2'b00;
66. rTXD <= 1'b1;
67. end
以上内容为相关的寄存器以及复位操作。第45行是波特率为115200还有伪函数入口的常量声明。
68. else
69. case( i )
70.
71. 0:
72. if( DoneU2[1] ) begin isCall[1] <= 1'b0; i <= i + 1'b1; end
73. else begin isCall[1] <= 1'b1; D1 <= 24'd0; D2 <= 16'hABCD; end
74.
75. 1:
76. if( DoneU2[0] ) begin D3 <= DataU2; isCall[0] <= 1'b0; i <= i + 1'b1; end
77. else begin D1 <= 24'd0; isCall[0] <= 1'b1; end
78.
79. 2:
80. begin T <= { 2'b11, D3[15:8], 1'b0 }; i <= TXFUNC; Go <= i + 1'b1; end
81.
82. 3:
83. begin T <= { 2'b11, D3[7:0], 1'b0 }; i <= TXFUNC; Go <= i + 1'b1; end
84.
85. 4:
86. i <= i;
87.
88. /******************************/
89.
以上内容为部分核心操作。步骤0将数据16’hABCD写入地址0。步骤1从地址0读出数据 16’hABCD，并且暂存至D3。步骤2先发送D3的高8位，步骤3则发送D3的低8位。步骤4发呆。
90. 16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26:
91. if( C1 == B115K2 -1 ) begin C1 <= 11'd0; i <= i + 1'b1; end
92. else begin rTXD <= T[i - 16]; C1 <= C1 + 1'b1; end
93.
94. 27:
95. i <= Go;
96.
97. endcase
98.
99. assign S_CLK = CLOCK2;
100. assign TXD = rTXD;
101.
102. endmodule
以上内容为部分核心操作。步骤16~27是发送一帧数据的伪函数。第99~100行则是相关的输出驱动。综合完毕并且下载程序，如果串口调试软件出现 ABCD等两字节数据，结果表示实验成功。
细节一：完整的个体模块
SDRAM基础模块已经就绪完毕。
细节二：其它时序参数
驱动SDRAM最大的收获莫过于学习各种稀奇古怪的时序参数，虽然实验十六的IIC，也有时序参数，但是前者好比一粒面包屑，后者则是一片面包，两种时序参数有“体积”上的明确差距。笔者曾经说过，时序参数即时间要求有第一层与第二层之分，第一层时间要求正如IIC的时序参数，打得像面包一样 ... 反之，第二层时间要求宛如SDRAM的时序参数，小得似面包屑一般。
SDRAM的时序参数除了 tRP，TRRC，TMRD，CAS Latency 等这些东西以外，它还有更为极为，而且不能控制的时序参数。更确切来说，这些时序参数都属于物理因数的范围 ... 难得有机会学习SDRAM，笔者就稍微聊聊它们吧。
图18.12 时序参数①。
图18.12是读操作的部分时序，当CL得到满足以后，数据就会被吐出来，其中：
TLZ（TLOZ）为 clock to data output in low-Z time。简单来说，就是数据被出发沿吐出之前，必须经过的延迟时间。根据手册，133Mhz为1ns。
TAC为 access time from clock。简单来说就是有效时间。根据手册，133Mhz为5.4ns
TOH为 data out hold time。简单来说就是常见的 THOLD。根据手册，133Mhz为2.5ns
图18.13 时序参数②。
图18.13是写操作的部分时序图，然而重点家伙就是当中 T××S或者T××H。一般××是指数据的属性或者类别，不过S与H都有相同的意义，就是典型的TSETUP还有THOLD。笔者习惯称呼它们为寄存器特性，因为只要任何一方得不到满足，数据读入寄存器就得不到保证。寄存器特性好比哥布林一样，数量常常多到令人喷饭，如果一一分析会耗死爷爷不偿命。
图18.14 对外的理想时序。
为了用足一支竹竿扫尽一切，笔者才故意向将CLOCK1左移180° 测试手气，看看SDRAM能不能读出正确的结果，如果不是再追加位移或者减少位移以致修正，结果如图18.14所示。一般而言，T××S或者T××H这些家伙都会得到满足，然后乖乖就范。话虽如此，同学们还须注意，Verilog充其量只能满足第二层的时间要求，却不能涉及（解决）其中，我们往往只能依赖运气与直觉。当然，我们可以借助静态时序分析的力量去搞定一切，有兴趣的朋友请看《工具篇I》。
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