FPGA学习笔记——SDR SDRAM简介
目录
一、SDRAM基本概念
二、SDRAM存储结构及容量
2.1 SDRAM存储结构示意图
2.2 SDRAM容量计算
三、SDRAM功能框图
四、SDRAM主要操作命令
1.Mode Register Set（模式寄存器设置）：4'b0000
2.No Operation（空操作）：4'b0111
3.Active（激活命令）：4'b0011
4.Read（读）：4'b0101
5.Write（写） ：4’b0100
6.Precharge All Banks（预充电所有Bank）：4'b0010
7.Auto Refresh（自动刷新）：4'b0001
一、SDRAM基本概念
SDRAM（Synchronous Dynamic Random Access Memory），同步动态随机存储器。
同步（Synchronous）：是指内存工作需要同步时钟，内部命令的发送与数据的传输都以它为基准；
动态（Dynamic）：是指存储阵列需要不断的刷新来保证数据不丢失；
随机（Random）：是指数据不是线性依次存储，而是自由指定地址进行行数据读写。
空间存储量大、读写速度快以及价格相对便宜等优点使SDRAM在存储界屹立不倒、经久不衰，广泛应用在计算机中。随着时代的不断发展、技术的不断更新。SDRAM使用至今已过数十载，产品更新历经六代，分别是：第一代 SDR SDRAM，第二代 DDR SDRAM，第三代 DDR2 SDRAM，第四代 DDR3 SDRAM，第五代 DDR4 SDRAM，以及最新的DDR5 SDRAM。
这里为什么要刷新，因为SDR SDRAM是用电容来存储数据的，由于电容的容量很小，所以电荷保存的时间有限。为了及时补充漏掉的电荷以避免存储的信号丢失，必须定时地给电容补充电荷，通常将这种操作称为刷新。
由于SDR SDRAM为DRAM，内部的存储都是靠电容进行保存数据，电容的保持数据的时间为64ms，SDR SDRAM每次只能够刷新一行，为了不丢失任何数据，所以要保证64ms内，将所有的行都要刷新一遍。
二、SDRAM存储结构及容量
2.1 SDRAM存储结构示意图
SDRAM的内部是一个存储阵列，我们可以把它想象成一张表格。我们在向这个表格中写入数据的时候，需要先指定一个行（Row），再指定一个列（Column），就可以准确地找到所需要地“单元格”，这就是SDRAM寻址的基本原理。（先行后列）
L-Bank：我们将类比于单元格的存储空间称之为存储单元，N(行列个数乘积=行x列)个存储单元构成一个存储阵列，这个存储阵列称之为一个逻辑Bank(Logical Bank，简称L-Bank、Bank)。
“表格”中的一个单元格是SDRAM的一个存储单元，一个存储单元里可以存放一个或者多个bit数据，其中存放一个bit的存储单元结构入下图所示：
行列地址线被选中后，数据线（bit）直接和电容相连接。当写入时，数据线给电容充放电；读取时，电容将数据线拉高或者置低。
在对SDRAM进行数据存取时，要先确定Bank地址，定位到指定Bank，再依次确定行地址和列地址，选中存储单元，进而进行数据的存取操作，而且一次只能对一个Bank的一个存储单元进行操作。
2.2 SDRAM容量计算
对SDRAM的读写是针对存储单元进行的，一个存储单元的容量等于数据总线的位宽，单位是bit。
那么SDRAM芯片的总存储容量可以用公式计算：
SDRAM总存储容量 = L-Bank 的数量 x 行数 x 列数 x 存储单元的容量（数据线的位宽）
举个例子：
一个SDRAM ，有四个Bank，一个Bank的行地址是A0~A12，列地址是A0~A8，数据线位宽是16bit。那么SDRAM总存储容量是？
SDRAM总存储容量 = 4 x 8192 x 512 x 16 = 4 x 4M x 16bit =16M x 16bit = 256Mbit
三、SDRAM功能框图
SDRAM内部包含一个逻辑控制单元，其中包含了模式寄存器和命令解码器。外部通过CS#、RAC#、CAS#、WE#以及地址总线向逻辑控制单元输入命令，命令经过命令解码器进行解码后，将控制参数保存到模式寄存器中，逻辑控制单元进而控制逻辑运行。
外部复用的地址总线主要负责传递寻址信息：其输入的行、列地址在逻辑控制单元的协调下，依次经由Bank控制逻辑、行地址复用器及列地址计数锁存器处理，最终通过列地址解码器精确定位目标存储单元，从而完成对指定行列地址的数据读写操作。
相应的引脚说明：
四、SDRAM主要操作命令
SDRAM的操作都是通过{CS#、RAS#、CAS#、WE#} 四路控制信号构成指令来的， 如图所示：
1.Mode Register Set（模式寄存器设置）：4'b0000
模式寄存器通过地址位进行加载。BA0和BA1用于选择模式寄存器。只有当所有存储库处于空闲状态且没有突发传输正在进行时，才能发出mode Register SET命令，并且在满足tMRD条件之前不能发出后续可执行命令。
时序图：在上升沿进行采样4'b0000
具体的模式配置：
A3：突发类型（Burst Type），当A3=0时，是顺序模式；当A3=1时，是交错模式。（一般都是用顺序模式）
A0~A2：突发长度（Burst Length），根据A3（突发类型）的值，有不同的突发长度，当A3=0时，突发长度有：1、2、4、8、整页；当A3=1时，突发长度有1、2、4、8。（都是bit）
A4~A6：列选通潜伏周期（CAS Latency），这里可以配置有2个周期或者3个周期。
该图是突发长度为4，顺序读取，2个列选通潜伏周期和3个列选通潜伏周期
A9：设置写突发模式（Write Mode），当 A9 = 0 时，通过 A0~A2 （突发长度）配置适用于读和写突发；当A9 = 1时，编程的突发长度适用于读突发，但是写操作不是突发，一次只能写一个数据。
2.No Operation（空操作）：4'b0111
NO OPERATION（NOP）命令用于对选定的SDRAM执行NOP操作(CS =低电平，RAS =选中，WE =高电平）。该命令并非执行指令，但内部操作仍会继续。这样可以防止在空闲或等待状态下注册到不必要的指令。正在进行的操作不受影响。
3.Active（激活命令）：4'b0011
激活命令用于在后续读取或写入操作中，为特定存储库中的某一行启用访问权限。BA0和BA1输入端的数值用于选择存储库，而A0-A12（或最高地址位）提供的地址则用于选定具体行。该行在激活后将持续保持访问权限，直至对该存储库发出预充电命令为止。
4.Read（读）：4'b0101
READ指令用于向当前活动行发起突发读取操作。BA0和BA1的数值用于选择存储库，而地址输入则用于指定起始列位置。A10的数值决定了是否启用自动预充电功能：若选中该功能，被访问行将在读取突发操作结束时完成预充电；若未选中，则该行将保持开放状态以供后续访问。发出READ指令后，有效数据输出单元将在CAS延迟周期内可供读取。
当输入读取指令时，读操作随即启动。在读取指令设置后的周期（/CAS延迟- 1）内，输出缓冲器会切换为低电平有效状态。SDRAM支持突发读取操作，其突发长度可设置为1、2、4或8个时钟周期。突发读取的起始地址由列地址和银行选择地址共同决定，这两个地址均在读取指令设置周期内指定。数据输出将在/CAS延迟指定的时钟周期后开始，该延迟值可设置为2或3个时钟周期。当突发长度为1、2、4或8个时钟周期时，DOUT缓冲器会在连续输出对应长度的数据后，于下一个时钟周期自动切换为高电平有效状态。所有/CAS延迟和突发长度参数必须通过模式寄存器进行配置。
以上就是相对应的时序图。
5.Write（写） ：4’b0100
WRITE指令用于对当前活动行发起突发写入操作。BA0和BA1的数值用于选择存储库，而地址输入则用于指定起始列位置。A10的值决定了是否启用自动预充电功能：若选中该功能，则在写入突发操作结束时对当前行进行预充电；若未选中，则保持该行开放状态以供后续访问。
在写入突发期间，首个有效数据输入元素将在写入命令触发时同步完成寄存。后续数据元素将在每个连续的正时钟边沿进行寄存。当固定长度突发完成且未触发其他命令时，DQ端口将保持高阻态，此时所有新增输入数据将被忽略。整页突发将持续至终止。任何写入突发的数据均可通过后续写入命令进行截断，而固定长度写入突发的数据可紧接其后立即触发新的写入命令。新写入命令可在前次命令之后的任意时钟周期发出，且与新命令同步提供的数据将直接应用于该新命令。
其他相应的情况，可以在数据手册去查看。
6.Precharge All Banks（预充电所有Bank）：4'b0010
PRECHARGE指令用于停用特定存储库中的空闲行或所有存储库的空闲行。在完成预充电时间（tRP）前，不得向同一存储库（或多个存储库）发出其他预充电指令。若需对单个存储库进行预充电，必须指定该存储库地址；若需对所有存储库进行预充电，则需同时将A10置高并执行PRECHARGE指令。当A10处于高电平时，BA0和BA1将被忽略。若目标存储库中不存在空闲行，或先前已停用的行正在预充电过程中，则PRECHARGE指令将被视为无效指令。
7.Auto Refresh（自动刷新）：4'b0001
由于是非持久性指令，每次需要刷新时都必须重新发出。刷新地址由内部刷新控制器生成。海力士SDR SDRAM要求以平均周期tREF发送自动刷新指令。为提高任务调度与切换效率，系统在绝对刷新间隔上提供了灵活调整空间。每个SDR SDRAM最多可接收八次自动刷新指令，且任意两次自动刷新指令之间的最大间隔时间不得超过8*tREF。
以上就是SDRAM简介。（如果有错误的地方，还请大家指出来，谢谢！）