新手必看！FPGA的系統(tǒng)性學(xué)習(xí)

本系列將帶來FPGA的系統(tǒng)性學(xué)習(xí)，從最基本的數(shù)字電路基礎(chǔ)開始，最詳細(xì)操作步驟，最直白的言語描述，手把手的“傻瓜式”講解，讓電子、信息、通信類專業(yè)學(xué)生、初入職場小白及打算進(jìn)階提升的職業(yè)開發(fā)者都可以有系統(tǒng)性學(xué)習(xí)的機會。

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高級設(shè)計：SDR SDRAM 驅(qū)動設(shè)計

作者：郝旭帥校對：陸輝

本篇實現(xiàn)基于叁芯智能科技的SANXIN -B01 FPGA開發(fā)板，以下為配套的教程，如有入手開發(fā)板，可以登錄官方淘寶店購買，還有配套的學(xué)習(xí)視頻。

隨機訪問存儲器（RAM）分為靜態(tài)RAM（SRAM）和動態(tài)RAM（DRAM）。由于動態(tài)存儲器存儲單元的結(jié)構(gòu)非常簡單，所以它能達(dá)到的集成度遠(yuǎn)高于靜態(tài)存儲器。但是動態(tài)存儲器的存取速度不如靜態(tài)存儲器快。

RAM的動態(tài)存儲單元是利用電容可以存儲電荷的原理制成的。由于存儲單元的機構(gòu)能夠做得很簡單，所以在大容量、高集成度的RAM中得到了普遍的應(yīng)用。但是由于電容的容量很小，而漏電流又不可能絕對等于零，所以電荷保存的時間有限。為了及時補充漏掉的電荷以避免存儲的信號丟失，必須定時地給電容補充電荷，通常將這種操作稱為刷新。

行列地址線被選中后，數(shù)據(jù)線（data_bit）直接和電容相連接。當(dāng)寫入時，數(shù)據(jù)線給電容充放電；讀取時，電容將數(shù)據(jù)線拉高或者置低。

SDRAM 的全稱即同步動態(tài)隨機存儲器（Synchronous Dynamic Random Access Memory）；這里的同步是指其時鐘頻率與對應(yīng)控制器的系統(tǒng)時鐘頻率相同，并且內(nèi)部命令的發(fā)送與數(shù)據(jù)傳輸都是以該時鐘為基準(zhǔn)；動態(tài)是指存儲陣列需要不斷的刷新來保證數(shù)據(jù)不丟失。

SDR SDRAM中的SDR是指單數(shù)據(jù)速率，即每一根數(shù)據(jù)線上，每個時鐘只傳輸一個bit的數(shù)據(jù)。SDR SDRAM的時鐘頻率可以達(dá)到100MHz以上，按照100MHz的速率計算，一片16位數(shù)據(jù)寬度的SDRSDRAM的讀寫數(shù)據(jù)帶寬可以達(dá)到1.6Gbit/s。

SANXIN – B01的開發(fā)板上有一個容量為256Mbit（16Mx 16bit）的SDRSDRAM（H57V2562GTR）。其內(nèi)部存儲時，分為了4個獨立的區(qū)域（BANK），每個bank為4Mx16bit的存儲空間；每個bank在存儲時，按照二維的方式進(jìn)行存儲，利用行列來進(jìn)行確定，有8192行（13bit地址線），有512列（9bit地址線），8192 x512為4M的存儲量。

在進(jìn)行指定某個地址時，共需要2位bank地址，13位行地址，9位列地址，合計共24位地址。但是在SDRSDRAM的指定某個地址時，行地址和列地址不是同時給出，SDRSDRAM采用行列地址線復(fù)用，所以地址線合計為2（bank地址）+13（行、列地址復(fù)用）。

SDR SDRAM需要時鐘端和時鐘使能端。SDR SDRAM所有的操作都依靠于此時鐘；當(dāng)時鐘使能端無效時，SDR SDRAM自動忽略時鐘上升沿。

SDR SDRAM擁有四個命令控制線，分別為CS、RAS、CAS、WE。組成的命令表如下：

在寫入數(shù)據(jù)時，有時會出現(xiàn)不想對某8bit進(jìn)行寫入，就可以采用DQM進(jìn)行控制。

SDRSDRAM的內(nèi)部機構(gòu)為：

由于SDR SDRAM為DRAM，內(nèi)部的存儲都是靠電容進(jìn)行保存數(shù)據(jù)，電容的保持?jǐn)?shù)據(jù)的時間為64ms，SDRSDRAM每次只能夠刷新一行，為了不丟失任何數(shù)據(jù)，所以要保證64ms內(nèi)，將所有的行都要刷新一遍。

SDR SDRAM支持讀寫的長度為1、2、4、8和一行（整頁）。

具體的SDR SDRAM的介紹可以查看手冊。下面只介紹幾個相對重要的時序圖。

在SDR SDRAM正常使用之前，需要進(jìn)行初始化。初始化的時序圖如下：

在PRECHARGE時，A10為高，表示選中所有的bank；A10為低，表示選中BA0、BA1所指定的bank。初始化中，A10置高。

在LOAD MOOE REGISTER中，采用地址線進(jìn)行配置模式寄存器。說明如下：

在模式配置中，利用CL（CAS Latency）表示列選通潛伏期，利用BL（Burst Length）表示突發(fā)長度。

SDR SDRAM中有內(nèi)部的刷新控制器和刷新的行計數(shù)器，外部控制器只需要保證在64ms之內(nèi)進(jìn)行8192次刷新即可。

在進(jìn)行PRECHARGE時，A10要為高電平。

SDR SDRAM中，我們可以在任意位置進(jìn)行寫入。寫入的時序圖如下：

SDR SDRAM中，我們可以在任意位置進(jìn)行讀出。讀出的時序圖如下：

在各個時序中的時序參數(shù)如下：

設(shè)計要求

設(shè)計一個突發(fā)長度為2，列選通潛伏期為2的SDR SDRAM的控制器。

設(shè)計分析

該控制器共有四部分功能，初始化、刷新、寫和讀。四部分的執(zhí)行控制采用一個模塊來控制。

SDR SDRAM必須要進(jìn)行初始化，初始化只用執(zhí)行一次。然后啟動一個計時器，等計時器達(dá)到后，進(jìn)行刷新。在刷新的間隔中，根據(jù)讀寫的要求進(jìn)行讀寫。

四個模塊都會對SDR SDRAM的命令線和地址線進(jìn)行控制，所以輸出時，采用多路選擇器對齊進(jìn)行選擇輸出。

四個模塊按照對應(yīng)的時序圖進(jìn)行編寫代碼即可。

架構(gòu)設(shè)計和信號說明

該控制器命名為sdr_drive。

pll_sdr（鎖相環(huán)模塊）：產(chǎn)生驅(qū)動所需要的100MHz的時鐘（0度相位）、SDR SDRAM所需要的100MHz的時鐘（270度相位）、以及PLL鎖定信號當(dāng)作系統(tǒng)復(fù)位使用。

timer（刷新計時器）：當(dāng)啟動計時器后，開始計時，當(dāng)計時到規(guī)定時間后，輸出刷新請求，計數(shù)器直接清零計數(shù)計數(shù)。當(dāng)控制器響應(yīng)后，輸出清除信號后，刷新請求拉低。

refresh（刷新模塊）、init（初始化模塊）、sdr_write（寫模塊）、sdr_read（讀模塊）：當(dāng)啟動模塊后，按照規(guī)定的時序進(jìn)行輸出即可，然后輸出完成信號。

sdr_ctrl（控制模塊）：控制各個模塊協(xié)調(diào)工作。

mux4_1（四選一多路選擇器模塊）：選擇對應(yīng)的bus總線作為輸出。

*_bus的組成為：高四位為sdr_cs_n、sdr_ras_n、sdr_cas_n、sdr_we_n。然后是bank的兩位，后續(xù)為13位的sdr_addr。

sdr_drive_head聲明

將驅(qū)動中用到各種參數(shù)定義在該文件中。

`defineSDR_ADDR_WIDTH13`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設(shè)計實現(xiàn)

該模塊為IP core，輸出0相位的100MHz（系統(tǒng)時鐘）和270相位的100MHz（SDR的時鐘）。系統(tǒng)設(shè)計中，信號在上升沿輸出；對于外部器件（相位調(diào)整為270），能夠較好的滿足建立和保持時間。

init設(shè)計實現(xiàn)

該模塊負(fù)責(zé)將SDR SDRAM進(jìn)行初始化。上電延遲（PU_DELAY）設(shè)置為200us；預(yù)充電時間（Trp）設(shè)置為3個時鐘周期（30ns）；自刷新時間（Trfc）設(shè)置為7個時鐘周期（70ns）；模式寄存器應(yīng)用時間（Tmrd）設(shè)置為3個時鐘周期（30ns）；突發(fā)長度為2；列選通潛伏期為3。

按照對應(yīng)的初始化的時序圖，做出如下設(shè)計。

本模塊采用狀態(tài)機的方式設(shè)計實現(xiàn)。

設(shè)計代碼為：

`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設(shè)計實現(xiàn)

SDRSDRAM內(nèi)部構(gòu)造為DRAM，需要不間斷的刷新，要求64ms刷新一遍。每次刷新為一行，開發(fā)板上的SDRSDRAM共有8192行，平均需要7812.5ns刷新一次，我們選擇7810刷新一次。

到達(dá)規(guī)定的刷新時間時，控制器有可能正在進(jìn)行其他的操作。在設(shè)計時，達(dá)到時間后，發(fā)出刷新請求，當(dāng)外部執(zhí)行刷新后，將次請求清除。發(fā)出刷新請求的同時，計數(shù)器重新歸零計數(shù)。

`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設(shè)計實現(xiàn)

該模塊負(fù)責(zé)刷新，按照對應(yīng)的時序圖進(jìn)行控制即可。

該模塊利用狀態(tài)機的方式實現(xiàn)。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如下：

設(shè)計代碼為：

`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設(shè)計實現(xiàn)

該模塊負(fù)責(zé)將外部的數(shù)據(jù)寫入到規(guī)定的地址中去。在SDRSDRAM中，每操作（讀寫）一次，都會引起該存儲位的漏電，每次結(jié)束時，可以進(jìn)行預(yù)充電。SDR SDRAM提供了自動預(yù)充電的機制，在讀寫命令時，sdr_addr[10]=1，即可自動預(yù)充電。在設(shè)計時，應(yīng)該要為自動預(yù)充電預(yù)留出足夠的時間。

根據(jù)對應(yīng)的寫入時序圖，利用狀態(tài)機完成此設(shè)計。

設(shè)計代碼如下：

`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設(shè)計實現(xiàn)

該模塊負(fù)責(zé)從指定的地址中，將數(shù)據(jù)讀出。

按照對應(yīng)的讀時序圖即可實現(xiàn)功能，本模塊采用狀態(tài)機方式實現(xiàn)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如下：

設(shè)計代碼為：

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設(shè)計實現(xiàn)

該模塊負(fù)責(zé)選擇出對應(yīng)的bus，然后將對應(yīng)位作為輸出即可。

設(shè)計代碼為：

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設(shè)計實現(xiàn)

該模塊負(fù)責(zé)調(diào)度整個控制器，利用狀態(tài)機實現(xiàn)。

設(shè)計代碼為：

`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

為了防止在進(jìn)行刷新的起始部分丟失讀寫命令，所以在設(shè)計時，加入了緩存結(jié)構(gòu)，只要有讀寫命令時，都會進(jìn)行保存。在讀寫執(zhí)行時，才會清除此命令。

RTL仿真

為了能夠仿真此設(shè)計，需要用到SDR SDRAM的仿真模型。仿真模型在msim的sdr_sim_module中，將其修改為行線為13bit，列為9bit，每個bank有4194304個存儲空間。

在仿真時，在第二個bank，第五行，第10列，寫入一個隨機值。然后讀取出來。

仿真代碼為：

`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

這設(shè)置激勵時，將tb文件和仿真模型文件同時加入添加文件中。

在modelsim的報告界面會顯示出具體的配置信息以及讀寫信息。

從打印的報告中可以看出，在初始化時，列選通潛伏期為2，突發(fā)長度為2。在后續(xù)的讀寫時，在指定的位置，寫入了13604，后續(xù)的一個位置為4629；在讀出時，也正確的讀出了數(shù)據(jù)。

報告打印出寫入數(shù)據(jù)，即認(rèn)為寫入成功；報告打印出讀出數(shù)據(jù)，只能證明控制器將數(shù)據(jù)讀出，并不表示控制器能把數(shù)據(jù)接收到。

通過控制輸出的rdata以及對應(yīng)的rd_valid信號，確定讀出成功。在rdata中顯示為16進(jìn)制，16進(jìn)制的1215為十進(jìn)制的4629；16進(jìn)制的3524的為十進(jìn)制的13604。證明讀數(shù)據(jù)接收正確。

板級測試

編寫控制器的上游模塊（sdr_drive_test_crtl），控制寫入和讀出。在固定的地址中addr = {2'b01, 13'd128, 9'd20}，寫入一個固定的數(shù)字wdata = 32'h5a5aa5a5，然后讀出，進(jìn)行驗證。

讀者在進(jìn)行驗證時，可以采樣其他的地址或者數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，且可以進(jìn)行多次嘗試，保證設(shè)計正確。

該模塊采用狀態(tài)機設(shè)計實現(xiàn)。

設(shè)計代碼為：

`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

編寫測試頂層，模塊命名為sdr_drive_test，并且設(shè)置為頂層。

此模塊負(fù)責(zé)例化sdr_drive和sdr_drive_test_ctrl，完成連接功能，以此測試。

代碼為：

`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

經(jīng)過綜合分析后，進(jìn)行分配管腳。在分配管腳后，需要將雙功能管腳中的NCEO設(shè)置為普通用戶IO。如果不設(shè)置，將會出現(xiàn)如下錯誤：

右擊器件名稱，選擇DEVICE。

選擇device and pin option。

選擇dual – purpose pins。

將nceo設(shè)置為useas regular IO。

點擊OK，進(jìn)行編譯即可。

連接上開發(fā)板，啟動邏輯分析儀。

將采樣時鐘選擇為，sys_clk（PLL的c0）。采樣深度選擇為1K。

添加觀測信號如下，將wr_en的上升沿設(shè)置為觸發(fā)條件。

經(jīng)過保存，重新形成配置文件后，進(jìn)行下板測試。

下板后，按下復(fù)位。等待波形觸發(fā)。

通過邏輯分析儀，就可以看出可以正確的寫入和讀出數(shù)據(jù)。

讀者也可以進(jìn)行嘗試一次性寫入多個數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行讀出，進(jìn)行驗證設(shè)計的正確性。

- End -

原文標(biāo)題：FPGA零基礎(chǔ)學(xué)習(xí)：SDR SDRAM 驅(qū)動設(shè)計

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