SDRAM理论篇之基础知识及操作时序讲解(转载)

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。

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：

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。

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 .

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： 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：

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，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。

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：

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：

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：

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。

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》

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