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作者：郝旭帥??校對(duì)：陸輝
大俠好，歡迎來(lái)到FPGA技術(shù)江湖，江湖偌大，相見即是緣分。大俠可以關(guān)注FPGA技術(shù)江湖，在“闖蕩江湖”、"行俠仗義"欄里獲取其他感興趣的資源，或者一起煮酒言歡。
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高級(jí)設(shè)計(jì)：SDR SDRAM 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
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隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器（RAM）分為靜態(tài)RAM（SRAM）和動(dòng)態(tài)RAM（DRAM）。由于動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，所以它能達(dá)到的集成度遠(yuǎn)高于靜態(tài)存儲(chǔ)器。但是動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的存取速度不如靜態(tài)存儲(chǔ)器快。
RAM的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元是利用電容可以存儲(chǔ)電荷的原理制成的。由于存儲(chǔ)單元的機(jī)構(gòu)能夠做得很簡(jiǎn)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(duì)等于零，所以電荷保存的時(shí)間有限。為了及時(shí)補(bǔ)充漏掉的電荷以避免存儲(chǔ)的信號(hào)丟失，必須定時(shí)地給電容補(bǔ)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(shí)，數(shù)據(jù)線給電容充放電；讀取時(shí)，電容將數(shù)據(jù)線拉高或者置低。
SDRAM 的全稱即同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（Synchronous Dynamic Random Access Memory）；這里的同步是指其時(shí)鐘頻率與對(duì)應(yīng)控制器的系統(tǒng)時(shí)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(shí)鐘為基準(zhǔn)；動(dòng)態(tài)是指存儲(chǔ)陣列需要不斷的刷新來(lái)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(gè)時(shí)鐘只傳輸一個(gè)bit的數(shù)據(jù)。SDR SDRAM的時(shí)鐘頻率可以達(dá)到100MHz以上，按照100MHz的速率計(jì)算，一片16位數(shù)據(jù)寬度的SDR SDRAM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(gè)容量為256Mbit（16M x 16bit）的SDR SDRAM（H57V2562GTR）。其內(nèi)部存儲(chǔ)時(shí)，分為了4個(gè)獨(dú)立的區(qū)域（BANK），每個(gè)bank為4Mx16bit的存儲(chǔ)空間；每個(gè)bank在存儲(chǔ)時(shí)，按照二維的方式進(jìn)行存儲(chǔ)，利用行列來(lái)進(jìn)行確定，有8192行（13bit地址線），有512列（9bit地址線），8192 x 512為4M的存儲(chǔ)量。
在進(jìn)行指定某個(gè)地址時(shí)，共需要2位bank地址，13位行地址，9位列地址，合計(jì)共24位地址。但是在SDR SDRAM的指定某個(gè)地址時(shí)，行地址和列地址不是同時(shí)給出，SDR SDRAM采用行列地址線復(fù)用，所以地址線合計(jì)為2（bank 地址）+13（行、列地址復(fù)用）。
SDR SDRAM需要時(shí)鐘端和時(shí)鐘使能端。SDR SDRAM所有的操作都依靠于此時(shí)鐘；當(dāng)時(shí)鐘使能端無(wú)效時(shí)，SDR SDRAM自動(dòng)忽略時(shí)鐘上升沿。
SDR SDRAM擁有四個(gè)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(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)不想對(duì)某8bit進(jìn)行寫入，就可以采用DQM進(jìn)行控制。
SDR SDRAM的內(nèi)部機(jī)構(gòu)為：
由于SDR SDRAM為DRAM，內(nèi)部的存儲(chǔ)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(shí)間為64ms，SDR SDRAM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(zhǎng)度為1、2、4、8和一行（整頁(yè)）。
具體的SDR SDRAM的介紹可以查看手冊(cè)。下面只介紹幾個(gè)相對(duì)重要的時(shí)序圖。
在SDR SDRAM正常使用之前，需要進(jìn)行初始化。初始化的時(shí)序圖如下：
在PRECHARGE時(shí)，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(shuō)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(zhǎng)度。
SDR SDRAM中有內(nèi)部的刷新控制器和刷新的行計(jì)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(shí)，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(shí)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(shí)序圖如下：
在各個(gè)時(shí)序中的時(shí)序參數(shù)如下：
設(shè)計(jì)要求
設(shè)計(jì)一個(gè)突發(fā)長(zhǎng)度為2，列選通潛伏期為2的SDR SDRAM的控制器。
設(shè)計(jì)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(gè)模塊來(lái)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(dòng)一個(gè)計(jì)時(shí)器，等計(jì)時(shí)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(gè)模塊都會(huì)對(duì)SDR SDRAM的命令線和地址線進(jìn)行控制，所以輸出時(shí)，采用多路選擇器對(duì)齊進(jìn)行選擇輸出。
四個(gè)模塊按照對(duì)應(yīng)的時(shí)序圖進(jìn)行編寫代碼即可。
架構(gòu)設(shè)計(jì)和信號(hào)說(shuō)明
該控制器命名為sdr_drive。
pll_sdr（鎖相環(huán)模塊）：產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)所需要的100MHz的時(shí)鐘（0度相位）、SDR SDRAM所需要的100MHz的時(shí)鐘（270度相位）、以及PLL鎖定信號(hào)當(dāng)作系統(tǒng)復(fù)位使用。
timer（刷新計(jì)時(shí)器）：當(dāng)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器后，開始計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)到規(guī)定時(shí)間后，輸出刷新請(qǐng)求，計(jì)數(shù)器直接清零計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)。當(dāng)控制器響應(yīng)后，輸出清除信號(hào)后，刷新請(qǐng)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(dòng)模塊后，按照規(guī)定的時(shí)序進(jìn)行輸出即可，然后輸出完成信號(hào)。
sdr_ctrl（控制模塊）：控制各個(gè)模塊協(xié)調(diào)工作。
mux4_1（四選一多路選擇器模塊）：選擇對(duì)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(dòng)中用到各種參數(shù)定義在該文件中。
`define???????SDR_ADDR_WIDTH????????????????????13`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(jì)實(shí)現(xiàn)
該模塊為IP core，輸出0相位的100MHz（系統(tǒng)時(shí)鐘）和270相位的100MHz（SDR的時(shí)鐘）。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，信號(hào)在上升沿輸出；對(duì)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(shí)間。
init設(shè)計(jì)實(shí)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(shí)間（Trp）設(shè)置為3個(gè)時(shí)鐘周期（30ns）；自刷新時(shí)間（Trfc）設(shè)置為7個(gè)時(shí)鐘周期（70ns）；模式寄存器應(yīng)用時(shí)間（Tmrd）設(shè)置為3個(gè)時(shí)鐘周期（30ns）；突發(fā)長(zhǎng)度為2；列選通潛伏期為3。
按照對(duì)應(yīng)的初始化的時(shí)序圖，做出如下設(shè)計(jì)。
本模塊采用狀態(tài)機(jī)的方式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。
設(shè)計(jì)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) beginif (rst_n == 1'b0)c_state <= IDLE;elsec_state <= n_state;endalways @ * begincase (c_state)IDLE : beginif (init_en == 1'b1)n_state = PUD;elsen_state = IDLE;endPUD : beginif (cnt == `PU_DELAY - 1'b1)n_state = PRECHARGE;elsen_state = PUD;endPRECHARGE : beginif (cnt == `Trp - 1'b1)n_state = AUTOREFR1;elsen_state = PRECHARGE;endAUTOREFR1 : beginif (cnt == `Trfc - 1'b1)n_state = AUTOREFR2;elsen_state = AUTOREFR1;endAUTOREFR2 : beginif (cnt == `Trfc - 1'b1)n_state = LMR_STATE;elsen_state = AUTOREFR2;endLMR_STATE : beginif (cnt == `Tmrd - 1'b1)n_state = INITDONE;elsen_state = LMR_STATE;endINITDONE : beginn_state = INITDONE;enddefault : n_state = IDLE;endcaseendalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)sdr_cmd <= `NOP;elsecase (c_state)IDLE : sdr_cmd <= `NOP;PUD : beginif (cnt == `PU_DELAY - 1'b1)sdr_cmd <= `PREC;elsesdr_cmd <= `NOP;endPRECHARGE : beginif (cnt == `Trp - 1'b1)sdr_cmd <= `REFR;elsesdr_cmd <= `NOP;endAUTOREFR1 : beginif (cnt == `Trfc - 1'b1)sdr_cmd <= `REFR;elsesdr_cmd <= `NOP;endAUTOREFR2 : beginif (cnt == `Trfc - 1'b1)sdr_cmd <= `LMR;elsesdr_cmd <= `NOP;endLMR_STATE : sdr_cmd <= `NOP;INITDONE : sdr_cmd <= `NOP;default : sdr_cmd <= `NOP;endcaseendalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)cnt <= 15'd0;elsecase (c_state)IDLE : cnt <= 16'd0;PUD : beginif (cnt < `PU_DELAY - 1'b1)cnt <= cnt + 1'b1;elsecnt <= 16'd0;endPRECHARGE : beginif (cnt < `Trp - 1'b1)cnt <= cnt + 1'b1;elsecnt <= 16'd0;endAUTOREFR1 : beginif (cnt < `Trfc - 1'b1)cnt <= cnt + 1'b1;elsecnt <= 16'd0;endAUTOREFR2 : beginif (cnt < `Trfc - 1'b1)cnt <= cnt + 1'b1;elsecnt <= 16'd0;endLMR_STATE : beginif (cnt < `Tmrd - 1'b1)cnt <= cnt + 1'b1;elsecnt <= 16'd0;endINITDONE : cnt <= 16'd0;default : cnt <= 16'd0;endcaseendalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)init_done <= 1'b0;elseif (c_state == LMR_STATE && cnt == `Tmrd - 1'b1)init_done <= 1'b1;elseinit_done <= 1'b0;endalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)sdr_addr <= 0;elseif (c_state == PUD && cnt == `PU_DELAY - 1'b1)sdr_addr[10] <= 1'b1;elseif (c_state == AUTOREFR2 && cnt == `Trfc - 1'b1)sdr_addr <= `CODE;elsesdr_addr <= 0;endendmodule
timer設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
SDR SDRAM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SDR SDRAM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(shí)間時(shí)，控制器有可能正在進(jìn)行其他的操作。在設(shè)計(jì)時(shí)，達(dá)到時(shí)間后，發(fā)出刷新請(qǐng)求，當(dāng)外部執(zhí)行刷新后，將次請(qǐng)求清除。發(fā)出刷新請(qǐng)求的同時(shí)，計(jì)數(shù)器重新歸零計(jì)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) beginif (rst_n == 1'b0)cnt <= 10'd0;elseif (time_en == 1'b1 && cnt < `REFRESH_TIME - 1'b1)cnt <= cnt + 1'b1;elsecnt <= 10'd0;endalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)refresh_req <= 1'b0;elseif (cnt == `REFRESH_TIME - 1'b1)refresh_req <= 1'b1;elseif (req_clr == 1'b1)refresh_req <= 1'b0;elserefresh_req <= refresh_req;endendmodule
refresh設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
該模塊負(fù)責(zé)刷新，按照對(duì)應(yīng)的時(shí)序圖進(jìn)行控制即可。
該模塊利用狀態(tài)機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如下：
設(shè)計(jì)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) beginif (rst_n == 1'b0)c_state <= IDLE;elsec_state <= n_state;endalways @ * begincase (c_state)IDLE : beginif (refresh_en == 1'b1)n_state = PRECHARGE;elsen_state = IDLE;endPRECHARGE : beginif (cnt == `Trp - 1'b1)n_state = AUTOREFR1;elsen_state = PRECHARGE;endAUTOREFR1 : beginif (cnt == `Trfc - 1'b1)n_state = AUTOREFR2;elsen_state = AUTOREFR1;endAUTOREFR2 : beginif (cnt == `Trfc - 1'b1)n_state = REFRDONE;elsen_state = AUTOREFR2;endREFRDONE : beginn_state = IDLE;enddefault : n_state = IDLE;endcaseendalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)sdr_cmd <= `NOP;elsecase (c_state)IDLE : beginif (refresh_en == 1'b1)sdr_cmd <= `PREC;elsesdr_cmd <= `NOP;endPRECHARGE : beginif (cnt == `Trp - 1'b1)sdr_cmd <= `REFR;elsesdr_cmd <= `NOP;endAUTOREFR1 : beginif (cnt == `Trfc - 1'b1)sdr_cmd <= `REFR;elsesdr_cmd <= `NOP;endAUTOREFR2 : sdr_cmd <= `NOP;REFRDONE : sdr_cmd <= `NOP;default : sdr_cmd <= `NOP;endcaseendalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)cnt <= 4'd0;elsecase (c_state)IDLE : cnt <= 4'd0;PRECHARGE : beginif (cnt < `Trp - 1'b1)cnt <= cnt + 1'b1;elsecnt <= 4'd0;endAUTOREFR1 : beginif (cnt < `Trfc - 1'b1)cnt <= cnt + 1'b1;elsecnt <= 4'd0;endAUTOREFR2 : beginif (cnt < `Trfc - 1'b1)cnt <= cnt + 1'b1;elsecnt <= 4'd0;endREFRDONE : cnt <= 4'd0;default : cnt <= 4'd0;endcaseendalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)refresh_done <= 1'b0;elseif (c_state == AUTOREFR2 && cnt == `Trfc - 1'b1)refresh_done <= 1'b1;elserefresh_done <= 1'b0;endalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)sdr_addr <= 0;elseif (c_state == IDLE && refresh_en == 1'b1)sdr_addr[10] <= 1'b1;elsesdr_addr <= 0;endendmodule
sdr_write設(shè)計(jì)實(shí)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SDR SDRAM中，每操作（讀寫）一次，都會(huì)引起該存儲(chǔ)位的漏電，每次結(jié)束時(shí)，可以進(jìn)行預(yù)充電。SDR SDRAM提供了自動(dòng)預(yù)充電的機(jī)制，在讀寫命令時(shí)，sdr_addr[10]=1，即可自動(dòng)預(yù)充電。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該要為自動(dòng)預(yù)充電預(yù)留出足夠的時(shí)間。
根據(jù)對(duì)應(yīng)的寫入時(shí)序圖，利用狀態(tài)機(jī)完成此設(shè)計(jì)。
設(shè)計(jì)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) beginif (rst_n == 1'b0)c_state <= IDLE;elsec_state <= n_state;endalways @ * begincase (c_state)IDLE : beginif (write_en == 1'b1)n_state = ACT_STATE;elsen_state = IDLE;endACT_STATE : beginif (cnt == `Trcd - 1'b1)n_state = WR1;elsen_state = ACT_STATE;endWR1 : n_state = WR2;WR2 : beginif (cnt == `Twr + `Trp - 1'b1)n_state = IDLE;elsen_state = WR2;enddefault : n_state = IDLE;endcaseendalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)sdr_cmd <= `NOP;elseif (c_state == IDLE && write_en == 1'b1)sdr_cmd <= `ACT;elseif (c_state == ACT_STATE && cnt == `Trcd - 1'b1)sdr_cmd <= `WR;elsesdr_cmd <= `NOP;endalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)sdr_addr <= 0;elseif (c_state == IDLE && write_en == 1'b1)sdr_addr <= wr_addr[21:9];elseif (c_state == ACT_STATE && cnt == `Trcd - 1'b1) beginsdr_addr[10] <= 1'b1;sdr_addr[8:0] <= wr_addr[8:0];endelsesdr_addr <= 0;endalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)cnt <= 4'd0;elseif (c_state == ACT_STATE && cnt < `Trcd - 1'b1)cnt <= cnt + 1'b1;elseif (c_state == WR2 && cnt < `Twr + `Trp - 1'b1)cnt <= cnt + 1'b1;elsecnt <= 4'd0;endalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)odq <= 16'd0;elseif (c_state == ACT_STATE && cnt == `Trcd - 1'b1)odq <= wr_data[15:0];elseif (c_state == WR1)odq <= wr_data[31:16];elseodq <= 16'd0;endalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)wr_done <= 1'b0;elseif (c_state == WR2 && cnt < `Twr + `Trp - 1'b1)wr_done <= 1'b1;elsewr_done <= 1'b0;endendmodule
sdr_read設(shè)計(jì)實(shí)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(duì)應(yīng)的讀時(shí)序圖即可實(shí)現(xiàn)功能，本模塊采用狀態(tài)機(jī)方式實(shí)現(xiàn)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如下：
設(shè)計(jì)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) beginif (rst_n == 1'b0)c_state <= IDLE;elsec_state <= n_state;endalways @ * begincase (c_state)IDLE : beginif (read_en == 1'b1)n_state = ACT_STATE;elsen_state = IDLE;endACT_STATE : beginif (cnt == `Trcd - 1'b1)n_state = READ_STATE;elsen_state = ACT_STATE;endREAD_STATE : beginif (cnt == `Tcl)n_state = RD1;elsen_state = READ_STATE;endRD1 : n_state = RD2;RD2 : beginif (cnt == `Trp - 1'b1)n_state = IDLE;elsen_state = RD2;enddefault : n_state = IDLE;endcaseendalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)sdr_cmd <= `NOP;elseif (c_state == IDLE && read_en == 1'b1)sdr_cmd <= `ACT;elseif (c_state == ACT_STATE && cnt == `Trcd - 1'b1)sdr_cmd <= `RD;elsesdr_cmd <= `NOP;endalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)sdr_addr <= 0;elseif (c_state == IDLE && read_en == 1'b1)sdr_addr <= rd_addr[21:9];elseif (c_state == ACT_STATE && cnt == `Trcd - 1'b1) beginsdr_addr[10] <= 1'b1;sdr_addr[8:0] <= rd_addr[8:0];endelsesdr_addr <= 0;endalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)cnt <= 4'd0;elsecase (c_state)IDLE : cnt <= 4'd0;ACT_STATE : beginif (cnt < `Trcd - 1'b1)cnt <= cnt + 1'b1;elsecnt <= 4'd0;endREAD_STATE: beginif (cnt < `Tcl)cnt <= cnt + 1'b1;elsecnt <= 4'd0;endRD1 : cnt <= 4'd0;RD2 : beginif (cnt < `Trp - 1'b1)cnt <= cnt + 1'b1;elsecnt <= 4'd0;enddefault : cnt <= 4'd0;endcaseendalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)rd_data <= 32'd0;elseif (c_state == READ_STATE && cnt == `Tcl)rd_data[15:0] <= sdr_dq;elseif (c_state == RD1)rd_data[31:16] <= sdr_dq;elserd_data <= rd_data;endalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)rd_done <= 1'b0;elseif (c_state == RD2 && cnt < `Trp - 1'b1)rd_done <= 1'b1;elserd_done <= 1'b0;endendmodule
mux4_1設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
該模塊負(fù)責(zé)選擇出對(duì)應(yīng)的bus，然后將對(duì)應(yīng)位作為輸出即可。
設(shè)計(jì)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 @ * begincase (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;endcaseendendmodule
sdr_ctrl設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
該模塊負(fù)責(zé)調(diào)度整個(gè)控制器，利用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。
設(shè)計(jì)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) beginif (rst_n == 1'b0)wren <= 1'b0;elseif (wr_en == 1'b1)wren <= 1'b1;elseif (wren_clr == 1'b1)wren <= 1'b0;elsewren <= wren;endalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)rden <= 1'b0;elseif (rd_en == 1'b1)rden <= 1'b1;elseif (rden_clr == 1'b1)rden <= 1'b0;elserden <= rden;endalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)wdatar <= 32'd0;elseif (wr_en == 1'b1)wdatar <= wdata;elsewdatar <= wdatar;endalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)addrr <= 0;elseif (wr_en == 1'b1 || rd_en == 1'b1)addrr <= addr;elseaddrr <= addrr;endalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)c_state <= IDLE;elsec_state <= n_state;endalways @ * begincase (c_state)IDLE : n_state = INIT_STATE;INIT_STATE : beginif (init_done == 1'b1)n_state = REFRESH_STATE;elsen_state = INIT_STATE;endREFRESH_STATE : beginif (refresh_done == 1'b1)n_state = NO_BUSY;elsen_state = REFRESH_STATE;endNO_BUSY : beginif (refresh_req == 1'b1)n_state = REFRESH_STATE;elseif (wren == 1'b1)n_state = WR_STATE;elseif (rden == 1'b1)n_state = RD_STATE;elsen_state = NO_BUSY;endWR_STATE : beginif (wr_done == 1'b1)n_state = NO_BUSY;elsen_state = WR_STATE;endRD_STATE : beginif (rd_done == 1'b1)n_state = NO_BUSY;elsen_state = RD_STATE;enddefault : n_state = IDLE;endcaseendalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)busy <= 1'b1;elseif (c_state == NO_BUSY && wren == 1'b0 && rden == 1'b0 && refresh_req == 1'b0)busy <= rd_en | wr_en;elsebusy <= 1'b1;endalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)init_en <= 1'b0;elseif (c_state == IDLE)init_en <= 1'b1;elseinit_en <= 1'b0;endalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)time_en <= 1'b0;elseif (c_state == INIT_STATE && init_done == 1'b1)time_en <= 1'b1;elsetime_en <= time_en;endalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)refresh_en <= 1'b0;elseif (c_state == INIT_STATE && init_done == 1'b1)refresh_en <= 1'b1;elseif (c_state == NO_BUSY && refresh_req == 1'b1)refresh_en <= 1'b1;elserefresh_en <= 1'b0;endalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)req_clr <= 1'b0;elseif (c_state == NO_BUSY && refresh_req == 1'b1)req_clr <= 1'b1;elsereq_clr <= 1'b0;endalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)write_en <= 1'b0;elseif (c_state == NO_BUSY && refresh_req == 1'b0 && wren == 1'b1)write_en <= 1'b1;elsewrite_en <= 1'b0;endalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)out_en <= 1'b0;elseif (c_state == NO_BUSY && refresh_req == 1'b0 && wren == 1'b1)out_en <= 1'b1;elseif (c_state == WR_STATE && wr_done == 1'b1)out_en <= 1'b0;elseout_en <= out_en;endalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)wr_addr <= 0;elseif (c_state == NO_BUSY && refresh_req == 1'b0 && wren == 1'b1)wr_addr <= addrr;elsewr_addr <= wr_addr;endalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)wr_data <= 0;elseif (c_state == NO_BUSY && refresh_req == 1'b0 && wren == 1'b1)wr_data <= wdatar;elsewr_data <= wr_data;endalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)wren_clr <= 1'b0;elseif (c_state == NO_BUSY && refresh_req == 1'b0 && wren == 1'b1)wren_clr <= 1'b1;elsewren_clr <= 1'b0;endalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)rden_clr <= 1'b0;elseif (c_state == NO_BUSY && refresh_req == 1'b0 && wren == 1'b0 && rden == 1'b1)rden_clr <= 1'b1;elserden_clr <= 1'b0;endalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)read_en <= 1'b0;elseif (c_state == NO_BUSY && refresh_req == 1'b0 && wren == 1'b0 && rden == 1'b1)read_en <= 1'b1;elseread_en <= 1'b0;endalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)rd_addr <= 0;elseif (c_state == NO_BUSY && refresh_req == 1'b0 && wren == 1'b0 && rden == 1'b1)rd_addr <= addrr;elserd_addr <= rd_addr;endalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)rdata <= 32'd0;elseif (c_state == RD_STATE && rd_done == 1'b1)rdata <= rd_data;elserdata <= rdata;endalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)rd_valid <= 1'b0;elseif (c_state == RD_STATE && rd_done == 1'b1)rd_valid <= 1'b1;elserd_valid <= 1'b0;endalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)mux_sel <= 2'b00;elsecase (c_state)IDLE : mux_sel <= 2'b00;INIT_STATE : beginif (init_done == 1'b1)mux_sel <= 2'b01;elsemux_sel <= mux_sel;endREFRESH_STATE: mux_sel <= mux_sel;NO_BUSY : beginif (refresh_req == 1'b1)mux_sel <= 2'b01;elseif (wren == 1'b1)mux_sel <= 2'b10;elseif (rden == 1'b1)mux_sel <= 2'b11;elsemux_sel <= mux_sel;endRD_STATE : mux_sel <= mux_sel;WR_STATE : mux_sel <= mux_sel;default : mux_sel <= 2'b00;endcaseendendmodule
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(jì)時(shí)，加入了緩存結(jié)構(gòu)，只要有讀寫命令時(shí)，都會(huì)進(jìn)行保存。在讀寫執(zhí)行時(shí)，才會(huì)清除此命令。
RTL仿真
為了能夠仿真此設(shè)計(jì)，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(gè)bank有4194304個(gè)存儲(chǔ)空間。
在仿真時(shí)，在第二個(gè)bank，第五行，第10列，寫入一個(gè)隨機(jī)值。然后讀取出來(lái)。
仿真代碼為：
`timescale 1ns/1psmodule 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 beginrst_n = 1'b0;wr_en = 1'b0;rd_en = 1'b0;addr = {2'b01, 13'd5,9'd10};wdata = 32'd0;# 201rst_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;endendmodule
這設(shè)置激勵(lì)時(shí)，將tb文件和仿真模型文件同時(shí)加入添加文件中。
在modelsim的報(bào)告界面會(huì)顯示出具體的配置信息以及讀寫信息。
從打印的報(bào)告中可以看出，在初始化時(shí)，列選通潛伏期為2，突發(fā)長(zhǎng)度為2。在后續(xù)的讀寫時(shí)，在指定的位置，寫入了13604，后續(xù)的一個(gè)位置為4629；在讀出時(shí)，也正確的讀出了數(shù)據(jù)。
報(bào)告打印出寫入數(shù)據(jù)，即認(rèn)為寫入成功；報(bào)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(guò)控制輸出的rdata以及對(duì)應(yīng)的rd_valid信號(hào)，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(jí)測(cè)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(gè)固定的數(shù)字wdata = 32'h5a5aa5a5，然后讀出，進(jìn)行驗(yàn)證。
讀者在進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，可以采樣其他的地址或者數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，且可以進(jìn)行多次嘗試，保證設(shè)計(jì)正確。
該模塊采用狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。
設(shè)計(jì)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) beginif (rst_n == 1'b0)c_state <= IDLE;elsec_state <= n_state;endalways @ * begincase (c_state)IDLE : beginif (sdr_busy == 1'b0)n_state = WR_STATE;elsen_state = IDLE;endWR_STATE : beginif (sdr_busy == 1'b0)n_state = RD_STATE;elsen_state = WR_STATE;endRD_STATE : beginif (rd_valid == 1'b1 && rdata == 32'h5a5aa5a5)n_state = TEST_DONE;elsen_state = RD_STATE;endTEST_DONE : n_state = TEST_DONE;default : n_state = IDLE;endcaseendassign wdata = 32'h5a5aa5a5;assign addr = {2'b01, 13'd128, 9'd20};always @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)wr_en <= 1'b0;elseif (c_state == IDLE && sdr_busy == 1'b0)wr_en <= 1'b1;elsewr_en <= 1'b0;endalways @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (rst_n == 1'b0)rd_en <= 1'b0;elseif (c_state == WR_STATE && sdr_busy == 1'b0)rd_en <= 1'b1;elserd_en <= 1'b0;endendmodule
編寫測(cè)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(cè)試。
代碼為：
`include "../rtl/sdr_drive_head.v"module sdr_drive_test (input wire clk,input wire rst_n,// sdroutput 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;// localwire 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(guò)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(huì)出現(xiàn)如下錯(cuò)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 use as regular IO。
點(diǎn)擊OK，進(jìn)行編譯即可。
連接上開發(fā)板，啟動(dòng)邏輯分析儀。
將采樣時(shí)鐘選擇為，sys_clk（PLL的c0）。采樣深度選擇為1K。
添加觀測(cè)信號(hào)如下，將wr_en的上升沿設(shè)置為觸發(fā)條件。
經(jīng)過(guò)保存，重新形成配置文件后，進(jìn)行下板測(cè)試。
下板后，按下復(fù)位。等待波形觸發(fā)。
通過(guò)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(gè)數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行讀出，進(jìn)行驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。
下載ECAD模型
