FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)的仿真驗(yàn)證之：SDRAM讀寫(xiě)控制的實(shí)現(xiàn)與Modelsim仿真
1．實(shí)例的主要內(nèi)容
本節(jié)旨在通過(guò)分析SDRAM控制器，介紹了SDRAM的基本工作模式。最后使用Modelsim對(duì)讀寫(xiě)控制器進(jìn)行仿真，幫助讀者進(jìn)一步了解一個(gè)真實(shí)的器件模塊是如何進(jìn)行Modelsim仿真的。
2．實(shí)例目標(biāo)
通過(guò)本實(shí)例，讀者應(yīng)達(dá)到下面的目標(biāo)。
· 了解SDRAM存儲(chǔ)器的工作模式。
· 熟悉Modelsim仿真的基本流程.
· 可獨(dú)立使用Modelsim仿真新工程。
SDRAM簡(jiǎn)介
在高速實(shí)時(shí)或者非實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)當(dāng)中，常常使用大容量存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存。而大容量存儲(chǔ)器的控制與使用是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。
SDRAM（同步動(dòng)態(tài)隨即訪問(wèn)存儲(chǔ)器）具有價(jià)格低廉、精密度高、讀寫(xiě)速度快等優(yōu)點(diǎn)，從而成為數(shù)據(jù)緩存器的首選存儲(chǔ)介質(zhì)。但是SDRAM的結(jié)構(gòu)與SRAM有很大的差異，其控制時(shí)序和機(jī)制也比較復(fù)雜，這就限制了SDRAM的使用范圍。
下面我們首先對(duì)SDRAM進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。
1．SDRAM信號(hào)
SDRAM器件的信號(hào)可以分為控制、地址和數(shù)據(jù)信號(hào)3類，具體定義如下表所示。
SDRAM信號(hào)
2．SDRAM工作特性
通常一個(gè)SDRAM 中包含幾個(gè)Bank，每個(gè)Bank的存儲(chǔ)單元是按行和列尋址的。由于這種特殊的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，SDRAM有以下幾個(gè)工作特性。
（1）SDRAM 的初始化。
SDRAM 在上電100～200μs 后，必須由一個(gè)初始化進(jìn)程來(lái)配置SDRAM的模式寄存器，模式寄存器的值決定著SDRAM 的工作模式。
（2）訪問(wèn)存儲(chǔ)單元。
為減少I/O 引腳數(shù)量，SDRAM 復(fù)用了地址線。所以在讀寫(xiě)SDRAM 時(shí)，先由ACTIVE 命令激活要讀寫(xiě)的Bank，并鎖存行地址，然后在讀寫(xiě)指令有效時(shí)鎖存列地址。一旦Bank被激活后只有執(zhí)行一次預(yù)充命令后才能再次激活同一Bank。
（3）刷新和預(yù)充。
為了提高存儲(chǔ)密度， SDRAM 采用硅片電容存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，電容總是傾向于放電，因此必須有定時(shí)的刷新周期以避免數(shù)據(jù)丟失。刷新周期可由（最小刷新周期÷時(shí)鐘周期）計(jì)算獲得。對(duì)Bank預(yù)充電或者關(guān)閉已激活的Bank，可預(yù)充特定Bank 也可同時(shí)作用于所有Bank，A10、BA0和BA1用于選擇Bank。
（4）操作控制。
SDRAM 的具體控制命令由一些專用控制引腳和地址線輔助完成。CS、RAS、CAS 和WR 在時(shí)鐘上升沿的狀態(tài)決定具體操作動(dòng)作，地址線和Bank選擇控制線在部分操作動(dòng)作中作為輔助參數(shù)輸入。
由于特殊的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，SDRAM 操作指令比較多，不像SRAM 一樣只有簡(jiǎn)單的讀寫(xiě)，具體操作指令如下表所示。
SDRAM命令真值表
由表可以看到，雖然SDRAM的容量大、速度快，但是存在存儲(chǔ)操作困難的問(wèn)題。一般的解決方案有兩種，一是直接控制SDRAM的讀寫(xiě)時(shí)序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取，二是編寫(xiě)一個(gè)SDRAM的讀寫(xiě)控制器，將SDRAM的讀寫(xiě)簡(jiǎn)化成SRAM形式，通過(guò)幾個(gè)命令完成SDRAM的讀寫(xiě)。
3．SDRAM讀寫(xiě)控制器
Xilinx、Altera、Lattice等較大的FPGA制造廠商都編寫(xiě)了自己的SDRAM接口控制器。讀者可以到官方網(wǎng)站去申請(qǐng)相關(guān)的控制器源代碼。下面簡(jiǎn)單介紹其中一種，如下圖所示是該SDRAM控制器總體設(shè)計(jì)框圖和外部接口信號(hào)。
在上圖中，控制器右端接口信號(hào)均為直接與SDRAM 對(duì)應(yīng)管腳相連的信號(hào)
控制器左端的接口信號(hào)為與FPGA 相連的系統(tǒng)控制接口信號(hào)，定義如下。
· CLK：系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)。
· ADDR：系統(tǒng)給出的SDRAM 地址信號(hào)。
· DATAIN：系統(tǒng)用于寫(xiě)入SDRAM 的數(shù)據(jù)信號(hào)。
· DATAOUT：系統(tǒng)用于從SDRAM讀出的數(shù)據(jù)信號(hào)。
· CMD[1:0]、CMDACK：系統(tǒng)和控制器的命令交互信號(hào)，參見(jiàn)表7.3。
· DM：數(shù)據(jù)Mask信號(hào)。
一般來(lái)說(shuō)，SDRAM的讀寫(xiě)控制時(shí)序可以分為初始化、寫(xiě)寄存器、自動(dòng)刷新、突發(fā)模式讀、突發(fā)模式寫(xiě)、整頁(yè)讀以及整頁(yè)寫(xiě)等主要操作。具體的時(shí)序圖可以查閱相關(guān)的器件數(shù)據(jù)手冊(cè)，這里不再列出。
SDRAM的讀寫(xiě)控制也可以由如圖7.34所示的讀寫(xiě)狀態(tài)機(jī)表示。
在FPGA中，實(shí)現(xiàn)如下圖所示的狀態(tài)機(jī)，再利用已有的SDR SDRAM控制器即可實(shí)現(xiàn)對(duì)SDRAM器件的控制。
SDRAM控制器的Modelsim仿真
（1）打開(kāi)ModelSim軟件。
（2）創(chuàng)建工程。
如下圖所示，在Modelsim中創(chuàng)建新工程，并設(shè)置工程的相關(guān)屬性。
（3）添加設(shè)計(jì)輸入。
若要?jiǎng)?chuàng)建新的文件就選擇【Create New File】圖標(biāo)，若要添加已經(jīng)存在的文件就選擇【Add Existing File】圖標(biāo)，如圖7.36所示。本實(shí)例中使用已經(jīng)存在的SDRAM控制器源文件作為設(shè)計(jì)輸入，添加后，在Workspace瀏覽器中可以看到如下圖的設(shè)計(jì)輸入列表。
（4）編譯設(shè)計(jì)輸入。
如下圖所示，在任意一個(gè)源文件上單擊右鍵，選擇“Compile”/“Compile All”，對(duì)所有的源文件進(jìn)行編譯。
編譯后，若有錯(cuò)誤，Modelsim會(huì)在信息欄中顯示出來(lái)。這時(shí)只要雙擊該錯(cuò)誤，ModelSim就會(huì)自動(dòng)打開(kāi)該錯(cuò)誤所在的文件，并定位到出現(xiàn)錯(cuò)誤所在的位置附近。若編譯正確通過(guò)，源文件后面的藍(lán)色問(wèn)號(hào)就替換成為綠色的對(duì)號(hào)，如上圖所示。
（5）仿真。
在Workspace瀏覽器中選擇“Library”復(fù)選頁(yè)，單擊Work左邊的小加號(hào)。在彈出的子菜單里面找到仿真模塊“sdram_test_tb”。雙擊或右鍵選擇“Simulate”選項(xiàng)，ModelSim就會(huì)自動(dòng)運(yùn)行仿真，如下圖所示。
（6）觀察波形。
在Workspace瀏覽器中選擇“Sim”復(fù)選頁(yè)，可以看到仿真模塊的實(shí)例列表，如下圖所示。
如下圖所示，右鍵單擊頂層測(cè)試模塊，選擇“Add”/“Add to Wave”選項(xiàng)，將該仿真模塊的所有實(shí)例添加至波形觀察器中。
添加后，ModelSim將會(huì)自動(dòng)打開(kāi)一個(gè)波形觀察器，并將頂層測(cè)試模塊的所有寄存器和接口添加進(jìn)去。回到ModelSim的界面，在命令輸入窗口中鍵入“run 20us”，開(kāi)始執(zhí)行仿真，如下圖所示。
執(zhí)行仿真后，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的仿真時(shí)間，就可以在波形觀察器中看見(jiàn)如圖7.44所示的仿真結(jié)果。這個(gè)就是通過(guò)利用已有的SDRAM控制器及SDRAM器件模型，由用戶編寫(xiě)對(duì)SDRAM控制器的狀態(tài)機(jī)控制后得到的仿真結(jié)果。
小結(jié)
本節(jié)對(duì)數(shù)字系統(tǒng)中常用的存儲(chǔ)器SDRAM做了初步的介紹，并在Modelsim中實(shí)現(xiàn)了對(duì)SDRAM控制器的仿真。通過(guò)這個(gè)實(shí)例，讀者能夠掌握分立器件是如何與FPGA邏輯實(shí)現(xiàn)Modelsim聯(lián)合仿真的。
在大型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)前對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真是非常必要的。而這個(gè)仿真又不僅僅局限在FPGA等可編程邏輯器件內(nèi)部，與之相關(guān)的分立器件也是系統(tǒng)仿真的重要組成部分。因此掌握分立器件的聯(lián)合仿真是一個(gè)非常重要的技能。
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1. MIPI視頻拼接
2. SLVS-EC轉(zhuǎn)MIPI接口(IMX472 IMX492)
3. PCIE采集系統(tǒng)
4. 圖像項(xiàng)目
5. 高速多通道ADDA系統(tǒng)
6. 基于FPGA板卡研發(fā)
7. 多通道高靈敏電荷放大器
8. 射頻前端
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