【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...
實驗十八：SDRAM模塊① — 單字讀寫
筆者與SDRAM有段不短的孽緣，它作為冤魂日夜不斷糾纏筆者。筆者嘗試過許多方法將其退散，不過屢試屢敗的筆者，最終心情像橘子一樣橙?！墩掀分H，筆者曾經大戰幾回兒，不過內容都是點到即止。最近它破蠱而出，日夜不停：“好~痛苦！好~痛苦！”地呻吟著，嚇得筆者不敢半夜如廁。瘋狂之下，誓要歪它不可 ... 可惡的東西，筆者要它血債血還！
圖18.1 數據讀取（理想時序左，物理時序右）。
首先，讓我們來了解一下，什么才是數據讀取的最佳狀態？如圖18.1所示，紅色箭頭是上升沿，綠色箭頭是鎖存沿。左圖是理想時序讀取數據的最佳狀態，即T0發送數據，T1鎖存數據。右圖則是物理時序讀取數據的最佳狀態，即T0發送數據，然后數據經由 TDATA延遲，然后T1鎖存數據。理想狀態下，讀取數據不用考慮任何物理因數，凡是過去值都會讀取成功。
圖18.2 讀取數據（物理時序）。
然而物理狀態下，讀取數據則必須考慮物理因數，但是物理時序也有所謂的理想狀態，即數據被TDATA推擠，然后恰好停留在鎖存沿的正中間。該狀態之所以稱為理想，那是因為建立時間TSETUP與保持時間THOLD都被滿足。
如圖18.2所示，TSETUP從數據中間向左邊覆蓋，THOLD從數據中間向右邊覆蓋，如果兩者不完全覆蓋數據，那么數據的有效性就能得到保證。簡言之，數據是否讀取成功，建立時間還有保持時間都必須得到滿足。但是我們也知道，Verilog不能描述理想以外的東西，即Verilog無力描述TDATA。話雖如此，我們可以改變時鐘位移來達到同樣的效果。
圖18.3 CLOCK1位移 -180°（左圖），沒有位移（中圖），CLOCK2 位移 +180°（右圖），以及修正結果。
常見的理想時序，最多適用在FPGA的內部而已。當描述功活動涉及FPGA的外部，那么理想時序必須考慮對外的情況。如圖18.3所示，中間的理想時序圖可以經由 CLOCK1 位移 -180°，又或者 CLOCK2 位移 +180° 來得到同樣的效果。雖說180° 的位移是理想效果，但是我們還要考慮物理路徑所帶來的影響。根據Alinix 301這只開發板，我們必須追加 -30° 位移才能達到修正的效果。（注意：追加-30° 的修正時序僅僅為適用Alinix 301這只板子而已）。理解完畢以后，我們便可進入正題。
驅動SDRAM而言，簡單可以分為以下四項操作：
（一）初始化
（二）刷新操作
（三）讀操作
（四）寫操作
初始化令SDRAM就緒，刷新操作就是不失掉內容（數據），讀操作就是從SDRAM哪里讀取數據，寫操作就是向SDRAM寫數據。其中，讀寫操作又有單字讀寫，多字讀寫還有頁讀寫。
首先，讓我們來分析一下Alinx 開發板上HY57V2562GTR 這只SDRAM。根據手冊，這只SDRAM有256Mb的容量，4個BANK（即一個BANK為64Mb)，頻率極限為200Mhz，數據保留周期為 8192 / 64ms。至于引腳定義如表18.1所示：
表18.1 SDRAM的引腳定義
| 分類 | 標示 | 信號 | 說明 |
| 時鐘信號 | CLK | S_CLK | 時鐘源 |
| 地址信號 | BA0~1 | S_BA[1:0] | BANK地址 |
| A0~A12 | S_A[12:0] | 讀寫地址，行列共用，A0~A12為行地址，CA0~CA8為列地址 | |
| 命令信號 | CKE | S_CKE, | 時鐘選，拉高有效 |
| CS | S_NCS, | 片選，拉低有效 | |
| RAS | S_NRAS, | 命令選，拉低有效 | |
| CAS | S_NCAS, | 命令選，拉低有效 | |
| WE | S_NWE | 命令選，拉低有效 | |
| 數據信號 | DQ0~DQ15 | S_DQ[15:0] | 讀寫數據的IO |
| LDQM，UDQM | S_DQM[1:0] | 遮蓋數據，一般拉低無視 |
如表18.1所示，CLK為SDRAM的時鐘源。CKE，CS，RAS，CAS還有WE皆為命令信號，五者相互組合形成以下幾個常用命令，結果如表18.2所示：
表18.2 常用命令。
| 命令 | CKE | CS | RAS | CAS | WE | 說明 |
| NOP | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 空命令 |
| ACT | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 激活命令，選擇Bank地址與行地址 |
| WR | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 寫命令，開始寫數據 |
| RD | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 讀命令，開始讀數據 |
| BSTP | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 停止命令，停止讀寫 |
| PR | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 預充命令，釋放選擇 |
| AR | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 刷新命令，刷新內容 |
| LMR | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 設置命令，設置SDRAM |
l NOP為No Operation，即空命令，除了給空時間以外沒有任何意義。
l ACT為Active，即激活命令，用來選擇某Bank某行。
l WR為Write，即寫命令，通知設備開始寫數據。
l RD為Read，即讀命令，通知設備開始讀數據。
l BSTP為Burst Stop，即停止命令，禁止設備繼續讀寫。
l PR為 Precharge，即預充命令，用來釋放某Bank與某行的選擇。
l AR為Auto Refresh，即刷新命令，用來刷新或者更新數據內容。
l LMR為Load Mode Register，即設置命令，用來配置設備參數。
Verilog則可以這樣描述這些命令，結果如代碼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;代碼18.1
DQ0~DQ15為數據信號。BA0~1與A0~A12皆為地址信號，其中A0~A12行列共用，，然而地址信號可以指向的范圍，如下計算：
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：
初始化除了就緒SDRAM以外，我們還要設置SDRAM內部的 Mode Register，設置內容內容如表18.3所示：
表18.3 Mode Register的內容。
| 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，設置內容必須經由地址信號A12~A0。其中A2~A0表示字讀寫的長度，實驗十八為單字讀寫，所以A2~A0設置為3’b000。A3表示讀寫次序，1’b0表示順序讀寫。A6~A4表示 CAS 延遲（也可以視為讀出延遲），設為 3’b011是為讀出更穩定。A9表示讀寫模式，一般都是設置為1’b0。
圖18.4 初始化的理想時序圖。
圖18.4是初始化的理想時序圖，其中CLOCK1為 -210°的系統時鐘，CLOCK2為SDRAM的時鐘。rCMD為CKE，CS，RAS，CAS還有WE等命令。rA為A0~A12，rBA為BA0~BA1等地址信號。初始化過程如下所示：
l T0，滿足100us；
l T1，發送PR命令，拉高所有rA與rBA。
l T1半周期，SDRAM讀取。
l T2，滿足TRP；
l T3，發送AR命令。
l T3半周期，SDRAM讀取。
l T4，滿足TRRC，
l T5，發送AR命令。
l T5半周期，SDRAM讀取。
l T6，滿足TRRC，
l T7，發送LMR命令與相關Code（設置內容）。
l T7半周期，SDRAM讀取。
l T8，滿足TMRD。
怎么樣？讀者是不是覺得很單純呢？事后，Verilog則可以這樣描述，結果如代碼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代碼18.2
代碼18.2完全按照圖18.4去驅動，讀者只要將i看為T就萬事大吉，其中步驟7發送LMR命令還有設置Code內容。至于步驟8~9則用來產生完成信號。
刷新操作：
圖18.5 刷新操作的理想時序圖。
所謂定期刷新就是被宮掉的初始化，如圖18.5所示，時序過程如下：
l T0，發送PR命令（拉高所有rA與rBA視喜好而定）；
l T0半周期，SDRAM讀取。
l T1，滿足TRP；
l T2，發送AR命令。
l T2半周期，SDRAM讀取。
l T3，滿足TRRC，
l T4，發送AR命令。
l T4半周期，SDRAM讀取。
l T5，滿足TRRC，
Verilog 則可以這樣表示，結果如表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代碼18.3
除了步驟6~7用來產生完成信號以外，代碼18.3都是據圖18.5描述。SDRAM儲存的內容是非常脆弱的，如果我們不定期刷新內容，該內容有可能會蒸發掉。根據 HY57V2562GTR這只 SDRAM，它的內容儲存周期為 8192 / 64ms，然而定期刷新的計算如下：
64ms / 8192 = 7.8125us
換言之，每隔7.8125微妙就要刷新一次所有內容。
寫操作：
圖18.6 寫操作的理想時序圖。
圖18.6是寫操作的理想時序圖，過程如下：
l T1，發送ACT命令，BANK地址與行地址；
l T1半周期，SDRAM讀取；
l T2，滿足TRCD；
l T3，發送WR命令，BANK地址與列地址，還有寫數據；
l T3半周期，SDRAM讀取
l T4，滿足TWR；
l T5，滿足TRP。
正如前面說過，ACT命令式用來選擇BANK地址與行地址，然而關鍵就在T3。T3除了發送WR命令，列地址，還有些數據以外，A10拉高是為了執行預充電。所謂預充電就是釋放BANK地址，行地址與列地址等的選擇。因此，滿足TWR以后，我們還要滿足TRP的釋放時間，好讓SDRAM有足夠的時間自行釋放選擇。
Verilog則可以這樣描述，結果如代碼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代碼18.4
根據前面的計算，BA1~BA0再加上 RA12~A0與 CA8~A0以后，一共有24位寬，詳細的位分配如表18.4所示：
表18.4 Addr的位分配。
| 位分配 | 地址內容 |
| Addr[23:22] | BANK地址 |
| Addr[21：9] | 行地址 |
| Addr[8:0] | 列地址 |
如代碼18.4所示，步驟用來設置IO口為輸出。步驟1為rA賦值行地址，步驟3則為rA賦值列地址，并且拉高A10以示自行預充電。步驟6~7用來產生完成信號。
讀操作：
圖18.7 讀操作的理想時序。
圖18.7為讀操作的理想時序，大致過程如下：
l T1，發送ACT命令，BANK地址與行地址；
l T1半周期，SDRAM讀取；
l T2，滿足TRCD；
l T3，發送RD命令，BANK地址與列地址；
l T3半周期，SDRAM讀取命令。
l T4，滿足 CAS Latency。
l T5，讀取數據。
l T6，滿足TRP。
讀操作與寫操作的過程大同小異，除了WR命令變成RD命令以外，A10為1同樣表示自行預充電，余下就是滿足CAS Latency。好奇的同學一定會覺得疑惑，為何CL 為3呢？其實沒什么，只是直感上覺得3這個數字比較順眼一點。注意CL的計算方式是讀取RD命令以后開始計算。
Verilog可以這樣描述，結果如代碼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代碼18.5
代碼18.5完全根據圖18.7描述，除了步驟7~8用于產生完成信號以外。SDRAM的基本操作大致上就是這樣而已，完后我們便可以開始建模了。
圖18.8 SDRAM基礎模塊的建模圖。
圖18.8是SDRAM基礎模塊的建模圖，SDRAM基礎模塊的內容包括SDRAM控制模塊，還有SDRAM功能模塊。外圍的PLL模塊應用頻率為133Mhz向左位移210°的CLOCK1，還有133Mhz的CLOCK2。CLOCK1用作系統時鐘，CLOCK用作SDRAM時鐘。如果PLL模塊硬要分類的話，它應該屬于特殊性質的即時類吧！？
SDRAM控制模塊主要負責一些操作的調度，左邊2位Call/Done由外部調用，其中 [1]為寫操作 [0]為讀操作；右邊4位Call/Done為調用SDRAM功能模塊，其中 [3]為寫操作 [2]為讀操作 [1]為刷新 [0]為初始化。SDRAM功能模塊的右邊是驅動SDRAM硬件資源的頂層信號，左邊的問答信號被控制模塊調用以外，地址信號還有數據信號都直接連接外部。
sdram_funcmod.v
圖18.9 SDRAM功能模塊的建模圖。
該說的東西筆者都已經說了，具體內容我們還是來看代碼吧。
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. );以上內容為相關的出入端聲明。
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.以上內容為相關的常量聲明，其中第18~20行的是將常量都是經由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以上內容為相關的寄存器聲明以及復位操作。
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以上內容為部分核心操作。第47行的if( iCall[3] ) 表示余下內容為寫操作。
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以上內容為部分核心操作。第82行的if( iCall[2] ) 表示余下內容為讀操作。
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以上內容為部分核心操作。第124行的if( iCall[1] ) 表示余下內容為刷新操作。
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.以上內容為部分核心操作。第157行的if( iCall[0] ) 表示余下內容為初始化。
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以上內容為相關的輸出驅動聲明，注意 iData直接驅動 S_DQ。
sdram_ctrlmod.v
圖18.10 SDRAM控制模塊的建模圖。
前面說過該模塊負責一些功能調用，此外該模塊也負責定時刷新的計算，具體內容我們還是來看代碼吧。
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.以上內容為相關的出入端聲明。第10行是各個入口地址的常量聲明，第11行則是定時刷新的周期——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以上內容為相關的寄存器聲明以及復位操作。第21行表示i首先會指向初始化。
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.以上內容為部分核心操作。步驟0為待機狀態，期間第33行的C1會一直遞增，如果期間沒有任何讀寫操作，而且C1的計數內容也超過 TREF，那么C1會清零，i指向REFRESH（第30行）。反之，如果讀寫操作被使能，i指向相關的步驟入口，期間C1也會遞增以示步驟翻轉所用掉的時鐘。
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.?
以上內容為部分核心操作。步驟1~3是寫操作。步驟1表示，功能模塊反饋完成信號之前，C1會不停遞增。當完成信號接收到手，isCall[3]拉低，C1遞增，i也遞增。步驟2~3則是用來反饋寫操作的完成信號，期間C1也會遞增。
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.以上內容為部分核心操作。步驟4~6是讀操作。步驟4表示接收完成信號之前，isCall[2]會不停拉高，C1也會不停遞增 ... 直至接收完成信號，isCall[2]才會拉低，然而C1也會遞增。步驟5~6用反饋讀操作的完成信號。
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.以上內容為部分核心操作。步驟7是刷新操作，接收完成信號之前 isCall[1] 會不停拉高，直至接收完成信號為止，isCall[1]才會拉低，然后i指向步驟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以上內容為部分核心操作。步驟8用來執行初始化，接收完成信號之前，isCall[0]會不停拉高，直至接收完成信號為止，isCall[0]才會拉低，然后i指向步驟0。第73~74行則是相關的輸出驅動。整體而言，除了讀寫操作必須反饋完成信號給上層以外，其余的定期刷新還有初始化都是該內部操作，所以不用反饋完成信號。
sdram_basemod.v
內容的連線部署完全依照圖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. );以上內容為相關的出入端聲明，第5~10行是頂層信號，第12~16行是模塊左右兩邊的信號。
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.以上內容為控制模塊的實例化。
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以上內容為功能模塊的實例化。
sdram_demo.v
圖18.11 實驗十八的建模圖。
圖18.11是實驗十八的建模圖，其中sdram_demo包含PLL模塊，核心操作還有SDRAM基礎模塊。PLL模塊將50Mhz的時鐘倍頻為133Mhz而且左移210° 的CLOCK1，還有133Mhz的CLOCK2，它直接驅動S_CLK頂層信號。核心操作負責調用SDRAM基礎模塊，并且將讀寫內容經由TXD發送出去。SDRAM基礎模塊左邊的問答信號只有兩位，其中[1]為寫 [0]為讀，具體內容我們還是來看代碼吧。
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. );以上內容為相關的出入端聲明。
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.以上內容為PLL模塊的實例化，CLOCK1為133Mhz頻率并且左移210°，CLOCK2為133Mhz頻率，并且直接驅動 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.以上內容為SDRAM基礎模塊的實例化，第40~41行表示 iAddr為D1驅動，iData為D2驅動。
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以上內容為相關的寄存器以及復位操作。第45行是波特率為115200還有偽函數入口的常量聲明。
? 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.以上內容為部分核心操作。步驟0將數據16’hABCD寫入地址0。步驟1從地址0讀出數據 16’hABCD，并且暫存至D3。步驟2先發送D3的高8位，步驟3則發送D3的低8位。步驟4發呆。
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以上內容為部分核心操作。步驟16~27是發送一幀數據的偽函數。第99~100行則是相關的輸出驅動。綜合完畢并且下載程序，如果串口調試軟件出現 ABCD等兩字節數據，結果表示實驗成功。
細節一：完整的個體模塊
SDRAM基礎模塊已經就緒完畢。
細節二：其它時序參數
驅動SDRAM最大的收獲莫過于學習各種稀奇古怪的時序參數，雖然實驗十六的IIC，也有時序參數，但是前者好比一粒面包屑，后者則是一片面包，兩種時序參數有“體積”上的明確差距。筆者曾經說過，時序參數即時間要求有第一層與第二層之分，第一層時間要求正如IIC的時序參數，打得像面包一樣 ... 反之，第二層時間要求宛如SDRAM的時序參數，小得似面包屑一般。
SDRAM的時序參數除了 tRP，TRRC，TMRD，CAS Latency 等這些東西以外，它還有更為極為，而且不能控制的時序參數。更確切來說，這些時序參數都屬于物理因數的范圍 ... 難得有機會學習SDRAM，筆者就稍微聊聊它們吧。
圖18.12 時序參數①。
圖18.12是讀操作的部分時序，當CL得到滿足以后，數據就會被吐出來，其中：
TLZ（TLOZ）為 clock to data output in low-Z time。簡單來說，就是數據被出發沿吐出之前，必須經過的延遲時間。根據手冊，133Mhz為1ns。
TAC為 access time from clock。簡單來說就是有效時間。根據手冊，133Mhz為5.4ns
TOH為 data out hold time。簡單來說就是常見的 THOLD。根據手冊，133Mhz為2.5ns
圖18.13 時序參數②。
圖18.13是寫操作的部分時序圖，然而重點家伙就是當中 T××S或者T××H。一般××是指數據的屬性或者類別，不過S與H都有相同的意義，就是典型的TSETUP還有THOLD。筆者習慣稱呼它們為寄存器特性，因為只要任何一方得不到滿足，數據讀入寄存器就得不到保證。寄存器特性好比哥布林一樣，數量常常多到令人噴飯，如果一一分析會耗死爺爺不償命。
圖18.14 對外的理想時序。
為了用足一支竹竿掃盡一切，筆者才故意向將CLOCK1左移180° 測試手氣，看看SDRAM能不能讀出正確的結果，如果不是再追加位移或者減少位移以致修正，結果如圖18.14所示。一般而言，T××S或者T××H這些家伙都會得到滿足，然后乖乖就范。話雖如此，同學們還須注意，Verilog充其量只能滿足第二層的時間要求，卻不能涉及（解決）其中，我們往往只能依賴運氣與直覺。當然，我們可以借助靜態時序分析的力量去搞定一切，有興趣的朋友請看《工具篇I》。
轉載于:https://www.cnblogs.com/alinx/p/4309688.html
總結
以上是生活随笔為你收集整理的【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...的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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