SDRAM是一種RAM類型的易失性存儲(chǔ)器件，因其具有較大的容量和相對(duì)較低的價(jià)格在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。然而應(yīng)用SDRAM需要實(shí)現(xiàn)刷新操作、行列管理、不同延遲和命令序列等邏輯，控制復(fù)雜，而Qsys提供的SDRAM控制器IP核接口極大的方便了SDRAM的使用，本文我們實(shí)現(xiàn)使用SDRAM控制器IP核對(duì)SDRAM進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

理論部分簡(jiǎn)介

SDRAM控制器IP核能夠處理所有的SDRAM協(xié)議要求，包括上電初始化、地址復(fù)用、刷新、讀寫(xiě)時(shí)序等，極大的方便了SDRAM的使用。下面我們先來(lái)看看SDRAM控制器IP核和SDRAM芯片的連接框圖，如下所示：

從上面的這個(gè)結(jié)構(gòu)框圖中，我們可以看到SDRAM控制器IP核產(chǎn)生于FPGA內(nèi)部，它帶有接口引腳、控制邏輯、以及Avalon從機(jī)接口。接口引腳用來(lái)連接外部SDRAM芯片管腳，這些接口引腳通過(guò)Altera FPGA上的I/O引腳連接到SDRAM芯片管腳上?？刂七壿嬘脕?lái)實(shí)現(xiàn)SDRAM的操作，比如，SDRAM初始化，自刷新，突發(fā)讀寫(xiě)等，這些全都是控制邏輯來(lái)完成的，控制邏輯不需要我們編寫(xiě)，當(dāng)我們生成SDRAM控制器IP核之后，它會(huì)自動(dòng)生成。

Avalon從機(jī)接口用來(lái)連接我們的CPU，Avalon從機(jī)接口是SDRAM控制器IP核中僅為用戶可見(jiàn)的部分。從控制器端口提供一個(gè)如SDRAM芯片一樣大的平滑、線性存儲(chǔ)器空間。當(dāng)訪問(wèn)從控制器端口時(shí)，SDRAM協(xié)議的細(xì)節(jié)完全透明。Avalon接口作為一個(gè)簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)器接口操作，沒(méi)有存儲(chǔ)器映射的配置寄存器。這里我們需要注意的是：SDRAM芯片必須和Avalone接口一樣以相同的時(shí)鐘來(lái)驅(qū)動(dòng)。

我們可以看到圖中的片內(nèi)鎖相環(huán)（PLL），它就是用來(lái)調(diào)整SDRAM控制器與SDRAM芯片之間的時(shí)鐘相位差。在較低的時(shí)鐘頻率下，可能不需要PLL。在較高的時(shí)鐘頻率下，當(dāng)信號(hào)在引腳上有效時(shí)，需要PLL來(lái)調(diào)整SDRAM時(shí)鐘。PLL并沒(méi)有包括在SDRAM控制器內(nèi)。如果需要PLL，設(shè)計(jì)者必須在生成Qsys系統(tǒng)模塊以外手動(dòng)添加PLL。Altera FPGA和SDRAM芯片的不同組合將要求不同PLL的設(shè)置。

還有一點(diǎn)我們需要說(shuō)明的是fmax性能取決于整個(gè)硬件設(shè)計(jì)。Qsys系統(tǒng)模塊的主控制器時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)SDRAM控制器和SDRAM芯片。因此，整個(gè)系統(tǒng)模塊的性能決定SDRAM控制器的性能。例如，為了實(shí)現(xiàn)100MHz的fmax性能，系統(tǒng)模塊必須設(shè)計(jì)為100MHz時(shí)鐘率，且QuartusII軟件的時(shí)序分析必須檢驗(yàn)硬件設(shè)計(jì)是否能夠進(jìn)行100MHz的操作。說(shuō)完了SDRAM的綜述之后下面我們就總結(jié)給出SDRAM控制器IP核的功能特性：

(1)SDRAM控制器IP核具有不同數(shù)據(jù)寬度（8、16、32或64位）、不同內(nèi)存容量和多片選擇等設(shè)置。

(2)SDRAM控制器IP核可以全面支持符合PC100標(biāo)準(zhǔn)的SDRAM芯片。 （PC100，表明時(shí)鐘信號(hào)為100，數(shù)據(jù)讀寫(xiě)速率也為100）

(3)SDRAM控制器IP核可選擇與其他的片外Avalon三態(tài)器件共用地址和數(shù)據(jù)總線，該特性在I/O引腳資源緊張的系統(tǒng)中很有用。我們可以在Qsys中使用SDRAM IP核的配置向?qū)?lái)指定硬件特性和仿真特性。SDRAMIP核配置向?qū)в袃蓚€(gè)選項(xiàng)卡：Memory Profile和Timing，如下圖所示。

為了使用方便，Presets列表提供幾個(gè)預(yù)定義的SDRAM配置。如果實(shí)際使用的SDRAM芯片型號(hào)與列表中的一致，可直接選用而不用設(shè)置其他選項(xiàng)。選擇不同的預(yù)配置，SDRAM IP核將自動(dòng)改變Memory Profile和Timing選項(xiàng)卡上的值來(lái)匹配指定的配置。如果實(shí)際使用的SDRAM芯片與列表中的不相同，則需要設(shè)計(jì)者根據(jù)SDRAM芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)的參數(shù)來(lái)設(shè)置Memory Profile和Timing標(biāo)簽上的值，改變?nèi)魏芜x項(xiàng)卡上的配置設(shè)置轉(zhuǎn)變Preset值為custom。

當(dāng)然我們也可以將我們配置好的SDRAM參數(shù)添加到預(yù)定義的SDRAM配置，在今后的使用過(guò)程中我們就直接選擇我們添加的預(yù)定義的SDRAM配置。接下來(lái)我們就來(lái)簡(jiǎn)單的介紹一下Memory Profile和Timing。

(1) Memory Profile選項(xiàng)卡

Memory Profile選項(xiàng)卡允許設(shè)計(jì)者指定SDRAM的結(jié)構(gòu)，例如地址和數(shù)據(jù)總線寬度、片選信號(hào)的數(shù)目和區(qū)的數(shù)目等。Memory Profile選項(xiàng)卡設(shè)置項(xiàng)如下表所示。

這些參數(shù)值可參照使用的SDRAM手冊(cè)來(lái)設(shè)置。通過(guò)Memory Profile選項(xiàng)卡上的設(shè)置后，消息框以兆字節(jié)、兆bit位以及可尋址的字長(zhǎng)顯示SDRAM預(yù)期的內(nèi)存容量。將這些預(yù)期值與選擇的SDRAM的實(shí)際大小相比較可以檢驗(yàn)設(shè)置是否正確。說(shuō)完了Memory Profile選項(xiàng)卡，接下來(lái)我們看看Timing選項(xiàng)卡。

(2) Timing選項(xiàng)卡

Timing選項(xiàng)卡允許設(shè)計(jì)者設(shè)置SDRAM芯片的時(shí)序規(guī)范。正確值在SDRAM芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供。Timing選項(xiàng)卡上可用的設(shè)置如下表所示。

我們需要注意的是無(wú)論我們輸入的精確時(shí)序值如何，每個(gè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)的實(shí)際時(shí)序?qū)锳valon時(shí)鐘的整數(shù)倍。對(duì)于每隔一段時(shí)間執(zhí)行一個(gè)刷新命令的參數(shù)，實(shí)際時(shí)序?qū)⒉怀瞿繕?biāo)值，而其他所有參數(shù)，實(shí)際時(shí)序?qū)⒋笥诨虻扔谀繕?biāo)值。

操作任務(wù)

利用官方SDRAM ControllerIP核實(shí)現(xiàn)對(duì)SDRAM的讀寫(xiě)操作。

硬件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)的硬件框架如下圖所示：

圖中，我們要把clk IP 核的時(shí)鐘頻率設(shè)置為 100MHz。

另外需要注意的是，Nios II IP 核需要將復(fù)位向量 Reset Vector 和異常向量 Exception Vector 都設(shè)置為 SDRAM，如下圖所示：

現(xiàn)在我們主要來(lái)介紹一下新添加的SDRAM IP 核，按照使用的 SDRAM 型號(hào)為

W9825G6KH的datasheet，配置如下圖所示。

為了方便大家以后的使用，下面我們就簡(jiǎn)單為大家講解一下如何將自己的SDRAM配置添加至Library中。當(dāng)我們配置好SDRAM以后，我們可以在窗口的右下方找到【New】按鈕并點(diǎn)擊，彈出如下圖所示頁(yè)面。

在該頁(yè)面中，我們將Preset name和Preset description填寫(xiě)好以后，我們就可以點(diǎn)擊【Save】按鈕，彈出如下圖所示提示窗口。

在該提示窗口中我們選擇是，這時(shí)我們就可以在Library中看到我們添加的SDRAM配置了。然后我們重新打開(kāi)Qsys軟件，這時(shí)，我們就可以在SDRAM的Library中看到我們添加的W9825G6KH。最后我們?cè)傺a(bǔ)充說(shuō)明一點(diǎn)，SDRAM為動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器對(duì)時(shí)序要求比較高，由于FPGA內(nèi)部有延遲，所以PLL輸出100Mhz時(shí)鐘頻率給SDRAM_SCLK時(shí)，PLL時(shí)鐘需要設(shè)置相位偏移，

相位偏移我們?cè)O(shè)置為-75deg。

頂層代碼如下:

從頂層代碼可以看到，我們主要例化PLL和SDRAM控制器，PLL生成兩個(gè)100MHz的時(shí)鐘，其中一個(gè)偏移-75度用于驅(qū)動(dòng)SDRAM芯片。

軟件設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)的軟件工程代碼如下：

在代碼中，首先定義了一個(gè)aut_u8型的指針ram指向SDRAM的基地址+0x10000，之后我們改變或讀取指針指向的地址（SDRAM基地址+偏移地址）的值，就改變了SDRAM相應(yīng)地址（偏移地址/2）的值。在主函數(shù)中，我們通過(guò)memset函數(shù)將從ram指向地址開(kāi)始的100個(gè)地址的值全部清0，再通過(guò)一個(gè)for循環(huán)向從ram指向地址開(kāi)始的100個(gè)地址的賦相應(yīng)的值，最后再將這100個(gè)值逆向讀取打印出來(lái)，這樣就完成了SDRAM的讀寫(xiě)操作?？梢钥闯?，通過(guò)SDRAM控制器的使用，對(duì)SDRAM的讀寫(xiě)操作變得非常簡(jiǎn)單。

之所以對(duì)SDRAM的讀寫(xiě)要偏移0x10000，是因?yàn)镃PU程序的運(yùn)行占用了從SDRAM基地址開(kāi)始的部分內(nèi)存，如果我們不做偏移直接從基地址開(kāi)始讀寫(xiě)，則很有可能破壞程序正常運(yùn)行，0x10000這個(gè)值并不固定，只要?jiǎng)e占用程序運(yùn)行的內(nèi)存就可以了。

下載驗(yàn)證

首先我們需要在Quartus II軟件中將qsys_sdram.sof文件下載到開(kāi)發(fā)板中；然后在Eclipse軟件中將qsys_sdram_rw.elf文件下載進(jìn)去。

qsys_sdram_rw.elf下載完成以后，我們的C程序會(huì)自動(dòng)運(yùn)行，同時(shí)在Nios II Console界面會(huì)顯示程序的打印信息。圖中可以看到從SDRAM中讀出的數(shù)據(jù)為99到0，與我們寫(xiě)入的數(shù)據(jù)一致，說(shuō)明本次實(shí)驗(yàn)下載驗(yàn)證成功。

如果大家在下載elf文件的過(guò)程中工具提示錯(cuò)誤，如下圖所示：

我們留意到在下載過(guò)程中，Console 會(huì)提示如下圖所示的信息，說(shuō)地址“0x2000020”到 “0x200D757”之間驗(yàn)證錯(cuò)誤。

錯(cuò)誤的這段地址并不固定，但它們?cè)赒sys 系統(tǒng)中剛好處于 SDRAM 的地址范圍內(nèi)。此時(shí)，我們可以通過(guò)以下方式解決下載報(bào)錯(cuò)的問(wèn)題。

在Eclipse 中右擊應(yīng)用工程“qsys_sdram_rw”，在彈出的菜單中選擇“Run As”

—>“Run Configurations”，會(huì)彈出“Run Configurations”配置頁(yè)面，如下圖所示：

在上圖所示頁(yè)面中的“Target Connection”標(biāo)簽頁(yè)最下方，勾選“Reset the selected

target system”。在上圖中，我們同時(shí)勾選了“Ignore mismatched system ID”以及“Ignore mismatched system timestamp”。設(shè)置完成后，點(diǎn)擊“Apply”，最后點(diǎn)擊“Run”來(lái)重新下載elf文件，這樣在下載的過(guò)程中就不會(huì)報(bào)錯(cuò)了。