在FPGA視頻圖像處理系統(tǒng)中，經(jīng)常需要使用到SDRAM作為視頻圖像緩存。SDRAM控制器可以分為上電初始化，自動刷新，讀操作和寫操作這四個(gè)部分，他們之間的轉(zhuǎn)換可以通過狀態(tài)機(jī)來控制。下面分別實(shí)現(xiàn)這幾個(gè)部分。

1.SDRAM上電初始化

SDRAM上電初始化時(shí)序如下圖所示。

由時(shí)序圖可知初始化大概的過程為：上電后等待電源VDD和時(shí)鐘信號穩(wěn)定100μs（期間命令為空命令），同時(shí)在100μs內(nèi)設(shè)置CKE（時(shí)鐘使能）信號為高。隨后對所有Bank發(fā)送預(yù)充電（PRECH ARGE）命令，發(fā)送兩次自動刷新（REFRESH）命令，最后發(fā)送裝載模式寄存器（LOAD MODE REGISTER）命令，并將設(shè)置寄存器的值傳入地址總線A0~A11。

上述過程的實(shí)現(xiàn)可以通過線性序列機(jī)來實(shí)現(xiàn)。即需要對初始化過程時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)時(shí)間到達(dá)時(shí)就執(zhí)行某個(gè)命令。下面是部分代碼。

1.計(jì)時(shí)器

2.命令執(zhí)行時(shí)間設(shè)置

3.對應(yīng)時(shí)間執(zhí)行對應(yīng)命令

2.SDRAM自動刷新

同樣給出自動刷新的時(shí)序圖。

過程比較簡單：首先對所有Bank預(yù)充電，然后發(fā)送兩次自動刷新命令。

同樣可以使用線性序列機(jī)的方法來實(shí)現(xiàn)，這里就不重復(fù)了。但需要添加一個(gè)刷新狀態(tài)標(biāo)志。ref_opt_done=1表示刷新完成，ref_opt=1表示正在刷新。

3.SDRAM寫操作

從時(shí)序圖上看首先發(fā)出激活命令，并給出行地址Bank地址；隨后發(fā)出寫命令，并指定寫入Bank，起始列地址和寫入數(shù)據(jù)；最后進(jìn)行預(yù)充電，關(guān)閉所有Bank。這里每次突發(fā)寫入4個(gè)數(shù)據(jù)，即突發(fā)長度為4，突發(fā)長度可以在之前初始化的模式寄存器中設(shè)置。

同樣使用序列機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法，在寫操作中也需要添加寫操作完成狀態(tài)標(biāo)志，和過程狀態(tài)標(biāo)志。此外只有當(dāng)寫入突發(fā)長度數(shù)據(jù)的時(shí)候我們才使能數(shù)據(jù)線輸入有效，其他時(shí)刻讓數(shù)據(jù)線保持高阻態(tài)，所以要添加一個(gè)寫數(shù)據(jù)狀態(tài)標(biāo)志W(wǎng)r_data_valid=1時(shí)表示正在寫數(shù)據(jù)。

4.SDRAM讀操作

與寫操作類似，但是我們輸入讀命令的時(shí)候，數(shù)據(jù)并不是立刻輸出，而是要經(jīng)過一個(gè)CAS_Latency后輸出。這個(gè)延時(shí)也可以通過模式寄存器的配置來調(diào)整。我們同樣需要給出讀操作完成、讀操作過程，讀出突發(fā)數(shù)據(jù)的有效區(qū)間。

5.SDRAM控制器設(shè)計(jì)

首先SDRAM上電后進(jìn)入空閑狀態(tài)，初始化完成后進(jìn)入刷新狀態(tài)，然后根據(jù)輸入命令進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)際上狀態(tài)機(jī)的控制對于刷新操作，讀/寫操作是有一個(gè)優(yōu)先級的：刷新操作》寫操作》讀操作。即假設(shè)寫命令和刷新命令同時(shí)到來時(shí)先執(zhí)行刷新操作。下圖為狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。具體實(shí)現(xiàn)可參考完整代碼。

由于SDRAM需要固定時(shí)間間隔刷新一次，我們還得考慮一個(gè)刷新定時(shí)器，固定時(shí)間產(chǎn)生一個(gè)刷新請求。

最后我們還需要考慮如果在讀操作的時(shí)候，產(chǎn)生了刷新請求或?qū)懻埱笤趺崔k呢？寫操作的時(shí)候，產(chǎn)生了刷新請求或讀請求怎么辦？或者在刷新操作時(shí)產(chǎn)生了讀/寫請求怎么辦？

對于刷新請求的突然到來我們采取記住刷新標(biāo)志，等待當(dāng)前任務(wù)完成后進(jìn)行刷新操作。

在刷新操作時(shí)讀/寫請求突然到來，我們也采取記住讀/寫標(biāo)志，等待當(dāng)前任務(wù)完成后進(jìn)行讀/寫操作。

但是對于在讀/寫操作時(shí)外部讀/寫請求的到來，我們選擇了忽略這次請求。部分代碼如下。

由于視頻信號數(shù)據(jù)讀入讀出都是連續(xù)不斷的，因此在某些時(shí)刻會導(dǎo)致讀寫的遺漏，但一般會在SDRAM讀出寫入前加上一個(gè)FIFO進(jìn)行緩存控制數(shù)據(jù)的讀寫，當(dāng)寫FIFO中數(shù)據(jù)大于一次突發(fā)長度時(shí)，使能寫信號；當(dāng)讀FIFO中數(shù)據(jù)小于突發(fā)長度時(shí)，使能讀信號，就可以解決這個(gè)問題。
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