SDRAM（3）：刷新和仲裁

　　初始化完成后，我們就可以對 SDRAM 進行其他的操作了，首先需要設計的是刷新和仲裁模塊。

一、SDRAM工作原理和仲裁實現

　　SDRAM 內部有自己的工作狀態機，如下所示。其中粗線表示自動跳轉，細線表示要滿足某些條件后才跳轉。

 

　　這個狀態機非常復雜，但我們如果只是簡單應用 SDRAM 則不需要實現里面所有操作。上電 POWER ON后，我們進行了初始化，實際上就是進行了預充電 Precharge，狀態機到了 IDLE，又給了兩次 Auto Refresh，此時狀態機饒一圈又到 IDLE，然后給了一次 LMR 記載模式寄存器，之后狀態機自動回到 IDLE。也就是說，經過上電和出似乎還后我們停在了 IDLE這，IDLE右邊的 Self Refsh 和 Power Down 不用理會。后面 SDRAM 正常工作需要考慮的操作是：1、自動刷新；2：寫操作；3：讀操作。這三個操作靠仲裁來實現，此外需要注意優先級：自動刷新 > 寫操作 > 讀操作。由此我們設計代碼時可以另寫一個適合我們的仲裁狀態機：

 

　　當刷新的時間到了之后，刷新模塊向仲裁發起刷新請求，然后仲裁根據 SDRAM 當前所處狀態判斷是否允許 SDRAM 進行刷新，如果可以則向刷新模塊給出刷新使能信號 aref_en；當刷新模塊對 SDRAM 進行刷新完畢后，再向仲裁給出刷新結束標志 aref_end。 仲裁狀態機直接在 SDRAM_top 頂層文件書寫即可，注意一下優先級的設置，另外寫操作和讀操作還沒有設計，可以先空着。

 

二、SDRAM刷新

1、刷新原理

　　關於 SDRAM 刷新，數據手冊是這樣說的：

　　解讀一下：

　　① SDRAM 必須在 64ms 內需要刷新 4096 次（不同芯片次數不同），SDRAM 需要不斷的刷新，來保證其內部的電量來達到保存數據不丟失的作用，SDRAM 內部的電容能保持電量的最長時間是 64ms，即SDRAM保存數據不丟失的時間是 64ms。

　　② SDRAM刷新是所有 Bank 同時一行一行的刷新，SDRAM 內部有行計數器，在刷新完第0行時，會自動計數到第1行。假如0時刻刷新完第0行，那到第二次刷新第0行時要求在64ms里，而我們的行地址有12根地址線A11-A0：12‘b1111_1111_1111 = 4095，共4096行，即在64ms里面需要把4096行刷新。

　　③ 兩次刷新之間的間隔是 64000us/4096 = 15.625us，本次設計取 15us。

 

2、刷新時序

　　從 SDRAM 數據手冊上可知，實現 AUTO-REFRESH 就一個步驟：給出一個命令：Auto Refresh，然后等待時間 tRC，之后 SDRAM 刷新結束。

　　這張圖讓很多人引起誤解，第一點：圖中很多指令其實是不用管的。開頭的 PRECHARGE 命令在初始化、寫、讀的模塊本身里面已經產生，這里不用再給。第二點：圖中看似標出了兩個 Auto Refresh 命令，但這兩個命令中間是有省略符“~~”的，它的意思是中間很多個的 Auto Refresh 命令，即產生多次刷新，而我們設計一次的刷新只需要給一個 Auto Refresh 命令即可。第三點：后面的 ACTIVE 命令是為了接后面的其他操作的，並不是刷新操作本身需要的。

　　由此我們可以得出刷新模塊的設計時序：

 

 

三、仿真

　　仿真的 testbench 和上一講一樣，不需要更改，打開 Modelsim，先跑 216us，再跑 15us 看看，在 Modelsim 下方打印出如下信息：

　　信息顯示出了自動刷新的操作，再觀察 SDRAM_aref 模塊的波形，概況圖如下所示：

　　放大自動刷新部分的波形，得到下圖：

　　可以看到波形和我們的設計是完全一致的，刷新模塊設計成功！

 

 

 

參考資料：[1]威三學院FPGA教程

　　　　    [2]開源騷客FPGA教程