作者：曹华 邓彬

        摘 要：介绍了SDRAM的特点和工作原理，提出了一种基于FPGA的SDRAM控制器的设计方法，使用该方法实现的控制器可非常方便地对SDRAM进行控制。

        关键词：SDRAM；控制器；Verilog；状态机

        引言

        在基于FPGA的图象采集显示系统中，常常需要用到大容量、高速度的存储器。而在各种随机存储器件中，SDRAM的价格低、体积小、速度快、容量大，是比较理想的器件。但SDRAM的控制逻辑比较复杂，对时序要求也十分严格，使用很不方便，这就要求有一个专门的控制器，使系统用户能很方便地操作SDRAM。为此，本文提出了一种基于FPGA的SDRAM控制器的设计方法，并用Verilog给于实现，仿真结果表明通过该方法设计实现的控制器可以在FPGA芯片内组成如图1所示的SDRAM接口，从而使得系统用户对SDRAM的操作非常方便。

        SDRAM简介

        SDRAM器件的管脚分为控制信号、地址和数据三类。通常一个SDRAM中包含几个BANK，每个BANK的存储单元是按行和列寻址的。由于这种特殊的存储结构，SDRAM有以下几个工作特性。

        ● SDRAM的初始化

        SDRAM在上电100～200μs后，必须由一个初始化进程来配置SDRAM的模式寄存器，模式寄存器的值决定着SDRAM的工作模式。

        ● 访问存储单元

        为减少I/O引脚数量，SDRAM复用地址线，所以在读写SDRAM时，先由ACTIVE命令激活要读写的BANK，并锁存行地址，然后在读写指令有效时锁存列地址。一旦BANK被激活后只有执行一次预充命令后才能再次激活同一BANK。

        ● 刷新和预充

        SDRAM的存储单元可以理解为一个电容，总是倾向于放电，因此必须有定时的刷新周期以避免数据丢失。刷新周期可由(最小刷新周期÷时钟周期)计算获得。对BANK预充电或者关闭已激活的BANK，可预充特定BANK也可同时作用于所有BANK，A10、BA0和BA1用于选择BANK。

        ● 操作控制

        SDRAM的具体控制命令由一些专用控制引脚和地址线辅助完成。CS、RAS、CAS和WR在时钟上升沿的状态决定具体操作动作，地址线和BANK选择控制线在部分操作动作中作为辅助参数输入。由于特殊的存储结构，SDRAM操作指令比较多，不像SRAM一样只有简单的读写。

        SDRAM控制器的设计实现

        ● 总体设计框图和外部接口信号

        SDRAM控制器与外部的接口示意图由图1给出，控制器右端接口信号均为直接与SDRAM对应管脚相连的信号，此处不做介绍。控制器左端的接口信号为与FPGA相连的系统控制接口信号，其中，CLK133为系统时钟信号，RESET_N为复位信号，ADDR为系统给出的SDRAM地址信号，DAIN是系统用于写入SDRAM的数据信号，FPGA_RD和FPGA_WR为系统读、写请求信号(1为有效，0为无效)，SDRAM_FREE是SDRAM的空闲状态标示信号(0为空闲，1为忙碌)，FDATA_ENABLE是控制器给系统的数据收发指示信号(为0时，无法对SDRAM进行数据收发；为1时，若是系统读操作，则系统此时可从DAOUT接收SDRAM的数据，若是写操作，则系统此时可以通过DAIN发送数据给SDRAM)。

        SDRAM控制器的结构组成如图2所示，包括系统控制接口模块、CMD命令解析模块、命令响应模块、数据通路模块共四个模块。系统控制接口模块用于接收系统的控制信号，进而产生不同的CMD命令组合；CMD命令解析模块用于接收CMD命令并解码成操作指令；命令响应模块用于接收操作指令并产生SDRAM的操作动作；数据通路模块则用于控制数据的有效输入输出。

        SDRA