SDRAM理论篇之基础知识和操作时序讲解

FPGA

这个星期在进行SDRAM的学习，当然关于SDRAM的理论知识，在上周讲了一部分，而这周主要的还是写代码及调试。如果有朋友在这之前没有接触过内存的话，可以看下业内写的比较好的扫盲文章《高手进阶终极内存技术指南》（点击进入下载），虽然Kevin在这之前也曾经看过这篇文章，但是看完之后对于写代码还是毫无头绪，所以Kevin在这里建议大家，如果是完全不知道内存是神马的朋友可以看下这篇文章，对于一些有基础但是不了解SDRAM操作时序的朋友可以直接看SDRAM厂商的官方文档，虽然Kevin也会在这篇博文中会根据自己对官方手册的理解来讲解SDRAM操作时序，但还是建议大家多看英文文档，这样才能体会原汁原味的知识，这也是为了避免所谓的“权威”中文版给大家带来某些误导，毕竟也是会有一些朋友在看着“权威”的中文翻译版本却在不停的骂娘，哈哈。所以大家也不要轻信所谓的中文翻译版手册，因为每个人对于手册中的英文意思的理解都有可能有区别，所以大家要相信厂商的手册才是最权威的。
接下来，咱们正式开始讲解SDRAM的有关知识。

SDRAM（Synchronous Dynamic Random Access Memory），同步动态随机存储器。同步是指 Memory工作需要同步时钟，内部的命令的发送与数据的传输都以它为基准；动态是指存储阵列需要不断的刷新来保证存储的数据不丢失，因为SDRAM中存储数据是通过电容来工作的，大家知道电容在自然放置状态是会有放电的，如果电放完了，也就意味着SDRAM中的数据丢失了，所以SDRAM需要在电容的电量放完之前进行刷新；随机是指数据不是线性依次存储，而是自由指定地址进行数据的读写。

关于SDRAM的内部结构我们借用《高手进阶终极内存技术指南》中的部分文字来进行讲解：

SDRAM内部其实是一个存储阵列，大家可以想象一下，如果SDRAM内部不是以阵列的形式存在而是以管道的形式存在，那SDRAM是很难做到随机访问的。阵列就如同一张表格一样，将数据填进去。和表格的检索原理一样，先确定一个行（Row），再确定一个列（Col），我们就可以准确的找到所需要的单元格，这就是内存芯片寻址的基本原理。对于内存，这个单元格可以成为存储单元，那么这个表格（存储阵列）叫什么呢？这就是逻辑Bank (Logic Bank,下文简称Bank).

看到这里，大家应该不难想象，我们对SDRAM进行寻址的方式为：先确定Bank的地址，再确定行和列的地址。
SDRAM内存容量计算方式关于内存的计算，我们先看下手册
图中的128Mb表示SDRAM的总容量，2M：表示1个Bank共有2M个地址，也就是说一个bank有2M个存储单元；4Bank表示有4个Bank；16 I/O表示位宽为16位，数据总线用的是16位的，1个存储单元能存储的最大的数为2^16-1=65535。然后再根据各个参数算下容量：2M x 4 x 16b = 128Mb .
SDRAM芯片引脚介绍第一个图是SDRAM的引脚图，第二图是各个引脚信号的描述信息

上面的两个图在SDRAM芯片的手册上都是可以找到的，下面Kevin来简单的介绍下我们做FPGA开发需要重点关注的信号
CLK：SDRAM工作的时钟，并且所有的输入信号都是在CLK的上升沿进行检测的，也就是说我们给SDRAM给的任何命令，一定要在CLK的上升沿保持稳定，以免SDRAM获取我们给出的命令时出现错误。
CKE：时钟使能信号，是用来控制SDRAM内部时钟是否工作的一个信号（在SDRAM内部也是有时钟的哦）
CS：片选信号，这里需要注意的是，如果要对SDRAM进行操作，必须要将片选信号拉低
BA0，BA1：Bank地址线，用来给bank的地址，可以控制SDRAM的4个bank
A0～A11：地址线，当我们选择SDRAM某个Bank的Row地址的时候，需要到12根地址线（A0～A11）；当选择Col地址的时候，只用A0～A8这9根线；A10这个信号可以用来控制Auto-precharge。
RAS、CAS、WE：这三根线就是用来给SDRAM发命令的，包括初始化、读、写、自动充电等命令。
UDQM、LDQM：数据输入/输出掩码。
DQ0～DQ15：SDRAM的数据线，为双向的，向SDRAM写数据或者从SDRAM中读出来的数据都是在DQ上进行传输的
大家看到上面的A0～A11这根地址总线既可以来控制row也可以控制col，而且控制col地址与控制row地址用到的线的数量又不一样，可能会有些疑问，下面Kevin向大家解释一下：

SDRAM的厂商一般为了节约成本，采用同一总线来对SDRAM进行寻址是无可厚非的，对于Row地址用到了12根线，也就是总共有2^12=4096个Row地址，而col地址使用9根线，也就是有2^9=512个col地址，而总共加起来的话，一个Bank就有4096×512=2097152 (2x1024x1024) ,也就是有2M个地址，这样的话，就与我们前面计算SDRAM的容量想吻合了。

另外一个的话，可能大家不太明白掩码（UDQM、LDQM）的作用，下面请您耐着性子听Kevin的解释：

就拿咱们使用的这块SDRAM芯片来讲，数据线有16根，也就是说明我们数据的位数可以达到16位，但是呢，请注意，也许在我们使用SDRAM的时候，也许我们在向SDRAM写数据的时候，我们生成的数据只有8位，但FPGA是与SDRAM的16根数据线连在一起的，这个时候，存到SDRAM中的数据还是16位的，所以为了避免这个问题，我们就可以使用掩码来屏蔽掉高8位了。当然掩码在读数据的时候起到的作用也是类似的。

SDRAM的相关操作时序前面铺垫了这么多SDRAM的相关知识，相信大家已经迫不及待想知道怎么来操作SDRAM了，各位看官且听Kevin详细道来。

上图是SDRAM内部的状态跳转图（可能在网页上看到的图片不太清晰，大家可以在导航菜单“福利”下的“文档手册”中下载这些文档），粗黑线表示在该状态下会自动跳转到另一个状态，细黑线表示需要给命令才会跳转。
SDRAM初始化我们先找到SDRAM最开始的状态“POWER ON”，这是刚上电的状态。在“POWER ON”状态给‘Precharge’命令之后就会跳转到“Precharge”状态，然后自动跳转至“IDLE”状态。在“IDLE”状态下，我们需要给SDRAM两次Auto-refresh命令，然后接着需要进行模式寄存器设置，对模式寄存器设计完毕之后，我们的初始化过程也就结束了。说了这么多，我们还是不知道怎么给SDRAM进行初始化，当时Kevin看过《高手进阶终极内存技术指南》之后也是依然不知道怎么写代码对SDRAM进行初始化。在这篇博文里边，Kevin暂时不会讲如何写代码，我只会把初始化这个过程相关的时序及原理给大家讲清楚，原理理解透彻了，相信大家对于代码如何进行书写也是会有一定的想法的，关于代码如何书写，也可以参考Kevin的另一篇博文。
我们继续上一张官方文档中的图片，这次来的可以波形图哦，各位看官要看仔细咯，对于你写代码是很有帮助的：

可能大家第一次接触到这种时序图的时候会有点头疼，不过没关系，请听Kevin给大家慢慢解释，在看文档解释的同时，与上边的状态图结合起来会更容易理解一点，对于图中出现的每一个指令，我们都是可以在我们所使用的器件手册中找到：

根据官方文档的介绍，SDRAM在刚上电的100us期间，除了“COMMAND INHIBIT”或“NOP”是不可以给SDRAM发其他指令的，所以大家能看到发送“Precharge”命令与刚上电的时间间隔“T”最小值为100us，这个100us其实也相当于SDRAM的一个稳定期。看过《高手进阶终极内存技术指南》这篇文章的朋友可能会发现，在《高手进阶终极内存技术指南》上写的稳定器是200us，而这里出现的却是100us，这样岂不是出现了矛盾，Kevin刚看手册的时候，也出现了这个疑问。我们可以肯定的一点是，官方的手册出错的可能性是很小的，如果连官方的文档都出错了，那还让我们这些使用他们器件的人怎么活呢 ╭( T □ T )╮。那会不会是《高手进阶终极内存技术指南》的作者写错了呢？这么久经考验的经典文章，如果有错误，肯定是早就提出来了。最终，Kevin在官方手册上找到了答案：对于这段英文，Kevin的理解是：在200us期间，SDRAM是都有可能执行“COMMAND INHIBIT”或“NOP”命令的，所以这里我们就索性把稳定器弄成200us。（如果理解出错，请大家批评指出）稳定器过了之后，我们先给“Precharge”命令，然后再过“tRP”的时间再给“Auto Refresh”命令，然后再过“tRC”的时间再给“Auto Refresh”命令，然后再经过“tRP”的时间进行模式寄存器设置。在给命令的时候，我们需要注意，“Precharge”、“Auto Refresh”、”Load Mode REGISITER“这三个命令都是只出现了一次的，没有给这些命令的时候都是给的”NOP“命令。给”Precharge”命令时，我们需要指定A10及Bank地址，如果A10为高(All Banks)，就意味着是给所有的Bank进行预充电，此时不需要给Bank地址，如果A10为低（SINGLE BANK）,就需要指定某一个bank的地址。给”Auto Refresh“命令时，是不需要指定bank地址的（大家注意看右下角有说明，灰色部分的数据我们是不需要关心的）。进行模式寄存器设置的时候，需要给的指令会稍微复杂一点，手册上显示A0～A11及BA0，BA1都用到了，下面我们来看下模式寄存器应该怎么进行设置，请看图：A9：用来指定操作模式：为高表示突发读/突发写，为低表示突发读/单写；A4~A6：指定潜伏期的长度，关于潜伏期，《高手进阶终极内存技术指南》上有非常详细的介绍，不过潜伏期设置的实际效果就是，如果潜伏期设置的是3，在我们进行SDRAM读操作的时候，读出来的数据就会相对于”READ”命令延后3个周期出来，如果潜伏期是2，那就会延后2个周期。A3：设置突发的类型，连续型和非连续型。A2～A0：用来指定突发的长度。对于上面的解释，大家可能会由于不懂突发是什么会觉得Kevin这里边写得可能还是显得不够直白，下面Kevin举个例子：A9设置为0，潜伏期设置为3，突发类型A3为0，突发长度（A2～A0）设置为4，在我们进行写操作的时候，数据是每4个数据写一次的，就是说我们给一次写指令，就会向SDRAM写进去4个数据，而且四个地址是连续的（如果突发类型设置的是非连续，则地址不会连续，具体的地址会是怎么样的一种规律，Kevin自己也没搞懂）；在我们进行读操作的时候，在给完一次读命令的3个周期（潜伏期为3）后，会有4个数据连续的崩出来.至此，对于初始化的过程，到这里算是基本讲完了。

SDRAM写操作在状态转移图中，我们可以发现在初始化完成之后，对SDRAM进行读或者写操作之前，我们还需要有一个命令”ACT”（这个命令在我们的初始化时序图中也出现了，只是我们是拿到了这里来讲），这个命令的意思说成大白话就是”行有效”命令，就是让SDRAM中的某一行活动起来，以便我们进行读或写。
在正式讲写操作之前，还有一点希望大家能注意一下，可能细心的朋友已经发现了，在我们的状态转移图中有”WRITE”和”WRITEA”这两个状态，处于这两个状态时，我们都可以对SDRAM进行写操作，只是说在”WRITEA”状态，我们每写完一个突发长度的数据之后，SDRAM会自动跳出这个状态进行刷新，而在”WRITE”状态，是需要给相应的指令之后才会跳出”WRITE”状态的，所以为了提高SDRAM的运行速度，我们一般采用不让SDRAM进入”WRITEA”状态来提高速度。当然”READ”和”READA”这两个状态的区别也是这样的。
下面我们继续上一张写操作的时序图，这个时序图是不进入”WRITEA”状态的：
按照老套路，Kevin继续和大家一起来分析写操作的时序：

在初始化完成后的 “tMRD” 之间之后，给一个”ACT”命令，同时指定是哪一个bank的哪一行，然后再经过 “tRCD”的时间给“WRITE”指令，同时指定是bank地址和列地址并把A10拉低，然后再根据设定好的突发长度将对应数量的数据写进去，这样就完成了我们的写操作。写完四个数据之后干嘛呢，这个就完全是我们自己说了算，如果我不给SDRAM发任何指令，那SDRAM内部还是处于“WRITE”状态的，如果我还想让SDRAM进行写，那我可以在给SDRAM发送写指令，如果此时刷新SDRAM的时间到了，那我们就必须去执行SDRAM的刷新操作来保证SDRAM的数据不被丢失。可能看到这里大家会想，如果我正在让SDRAM写数据，是不是SDRAM刷新的时间到了，我就必须是让SDRAM马上执行刷新操作吗？这样的话肯定不是现实的。大家试想一下，SDRAM写数据是每四个每四个数据进行的，如果正在写第二数据却马上让SDRAM执行刷新操作，那必然会把还没写的剩下的两个数据丢失，On My God, 我们是断然不能让我们的数据丢失的。不能让我们的数据丢失，又要保证SDRAM进行刷新来保证我们整个SDRAM相应BANK中的数据不被丢失，我们应该怎么来写代码呢？天啊，想到这里，是不是已经有朋友头都要快炸了呢？大家不要慌，关于如何写代码，Kevin会在下一篇博文中进行讲解的，大家先耐着性子把SDRAM的时序彻底弄明白。关于刷新的时序，会在这篇文章的后续部分进行介绍。写操作到这里就已经基本上说完了。

SDRAM读操作下面来说说我们的读操作，其实读操作和写操作是类似的，相信大家有了写操作的基础，对于SDRAM的读操作理解起来还是会比较轻松的，咱们继续上图：

首先，依然要给“ACT”命令，记住不要忘了指定ROW地址和BANK地址，然后在给“READ”指令，经过设定好的潜伏期之后，咱们的数据就出来了。大家也不要忘了，在给相关命令的时候，千万不要忘记其他信号线上的信号。

SDRAM的自动刷新操作Kevin已经在前面多次提到了SDRAM的自动刷新，SDRAM为什么要自动刷新，相信大家通过前面的介绍已经知道原因了，可以说如果SDRAM到了该刷新的时间没有进行刷新，那不管我们给SDRAM写进去了多少数据都是白搭，所以大家一定要高度重视SDRAM的刷新操作，到了该刷新的时候就一定要给刷新的命令。SDRAM内部电容保存数据的最长时间是64ms，而我们一个BANK有4096行，64ms/4096～=15us，也就是说为了保证SDRAM内部的数据不被丢失，两次刷新之间的最大时间间隔为15us，所以为了能让SDRAM有更多的时间进行读或者写，我们就设定SDRAM刷新的周期为15us.
在这里Kevin还想补充一个小知识，SDRAM每进行一次刷新，是对每一行进行操作的，并不是单独针对每一个电容进行充电，所以每进行一次刷新，该行中的电容进行充电我们可以理解为是同步发生的。

这就是SDRAM进行自动刷新的时序图了，相信大家有了前面的基础，对于这个图应该不会害怕了吧。

在每次自动刷新时，我们需要给一个“Precharge”命令，这个命令有什么作用呢？大家可以看下在前面的那张状态图，如果此时SDRAM正处于“WRITE”或“READ”状态时，这个“Precharge”命令可以使SDRAM跳出“WRITE”或“READ”状态从而进入“IDLE”状态。接下来，经过“tRP”的时间，给一个“Auto-Refresh”命令，然后再经过“tRC”的时间，再给一个“Auto-Refresh”命令，至此，自动刷新操作就完成了。关于这里的自动刷新操作，和我们的初始化过程有点类似，只是在这里没了模式寄存器的设置。

好了，对于SDRAM的初始化、读、写以及自动刷新，Kevin在这里根据自己的理解已经全部讲完了，如果在这篇文章中出现了某些错误，还希望您及时批评指出。另外，Kevin也会在接下来的一篇博文中分享怎么来写SDRAM的控制器，也就是怎么来把这篇文章中的这些操作用代码写出来。

参考书籍：
1.《高手进阶终极内存技术指南》
2. 厂商官方手册
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