2019年08月29日 | STM32F429 >> 22. FMC_扩展外部SDRAM（一）

STM32 控制器芯片内部有一定大小的 SRAM 及 FLASH 作为内存和程序存储空间，但当程序较大，内存和程序空间不足时，就需要在 STM32 芯片的外部扩展存储器。

SDRAM 控制原理

给 STM32 芯片扩展内存与给 PC 扩展内存的原理是一样的，只是 PC 上一般以内存条的形式扩展，内存条实质是由多个内存颗粒(即 SDRAM 芯片)组成的通用标准模块，而STM32 直接与 SDRAM 芯片连接。

SDRAM 芯片外观：

下图是一种型号为 IS42-45S16400J 的 SDRAM芯片内部结构框图：

SDRAM 信号线

除了时钟、地址和数据线，控制 SDRAM 还需要很多信号配合，它们具体作用在描述时序图时进行讲解。

控制逻辑

SDRAM 内部的“控制逻辑”指挥着整个系统的运行，外部可通过 CS、WE、CAS、RAS 以及地址线来向控制逻辑输入命令，命令经过“命令器译码器”译码，并将控制参数保存到“模式寄存器中”，控制逻辑依此运行。

地址控制

SDRAM 包含有“A”以及“BA”两类地址线，A 类地址线是行(Row)与列(Column)共用的地址总线，BA 地址线是独立的用于指定 SDRAM 内部存储阵列号(Bank)。在命令模式下，A 类地址线还用于某些命令输入参数。

SDRAM 的存储阵列

和表格查找一样，指定一个行地址和列地址，就可以精确地找到目标单元格，这是SDRAM 芯片寻址的基本原理。

这样的每个单元格被称为存储单元，而这样的表则被称为存储阵列(Bank)，目前设计的 SDRAM 芯片基本上内部都包含有 4 个这样的 Bank，寻址时指定 Bank 号以及行地址，然后再指定列地址即可寻找到目标存储单元。

SDRAM 内部具有多个 Bank 时的结构见图：

SDRAM 芯片向外部提供有独立的 BA 类地址线用于 Bank 寻址，而行与列则共用 A 类地址线。

程序框图中标号④中表示的就是它内部的存储阵列结构：

通讯时当 RAS 线为低电平，则“行地址选通器”被选通，地址线 A[11:0]表示的地址会被输入到“行地址译码及锁存器”中，作为存储阵列中选定的行地址；

同时地址线 BA[1:0]表示的 Bank 也被锁存，选中了要操作的 Bank 号；

接着控制 CAS 线为低电平，“列地址选通器”被选通，地址线 A[11:0]表示的地址会被锁存到“列地址译码器”中作为列地址，完成寻址过程。

数据输入输出

若是写 SDRAM 内容，寻址完成后，DQ[15:0]线表示的数据经过程序框图中标号⑤中的输入数据寄存器，然后传输到存储器阵列中，数据被保存。数据输出过程相反。

本型号的 SDRAM 存储阵列的“数据宽度”是 16 位(即数据线的数量)，在与 SDRAM进行数据通讯时，16 位的数据是同步传输的，但实际应用中我们可能会以 8 位、16 位的宽度存取数据，也就是说 16 位的数据线并不是所有时候都同时使用的，而且在传输低宽度数据的时候，我们不希望其它数据线表示的数据被录入。如传输 8 位数据的时候，我们只需要 DQ[7:0]表示的数据，而 DQ[15:8]数据线表示的数据必须忽略，否则会修改非目标存储空间的内容。所以数据输入输出时，还会使用 DQM[1:0]线来配合，每根 DQM 线对应 8 位数据，如“DQM0(LDQM)”为低电平，“DQM1(HDQM)”为高电平时，数据线 DQ[7:0]表示的数据有效，而 DQ[15:8]表示的数据无效。

SDRAM 的命令

控制 SDRAM 需要用到一系列的命令，见下表。

各种信号线状态组合产生不同的控制命令。

1. 命令禁止

只要 CS 引脚为高电平，即表示“命令禁止”(COMMAND INHBIT)，它用于禁止SDRAM 执行新的命令，但它不能停止当前正在执行的命令。

2. 空操作

“空操作”(NO OPERATION)，“命令禁止”的反操作，用于选中 SDRAM，以便接下来发送命令。

3. 行有效

进行存储单元寻址时，需要先选中要访问的 Bank 和行，使它处于激活状态。该操作通过“行有效”(ACTIVE)命令实现，见下图，发送行有效命令时，RAS 线为低电平，同时通过 BA 线以及 A 线发送 Bank 地址和行地址。

4. 列读写

行地址通过“行有效”命令确定后，就要对列地址进行寻址了。“读命令”(READ)和“写命令”(WRITE)的时序很相似，见下图，通过共用的地址线 A 发送列地址，同时使用 WE 引脚表示读/写方向，WE 为低电平时表示写，高电平时表示读。数据读写时，使用DQM 线表示有效的 DQ 数据线。

本型号的 SDRAM 芯片表示列地址时仅使用 A[7:0]线，而 A10 线用于控制是否“自动预充电”，该线为高电平时使能，低电平时关闭。

5. 预充电

SDRAM 的寻址具有独占性，所以在进行完读写操作后，如果要对同一个 Bank 的另一行进行寻址，就要将原来有效（ACTIVE）的行关闭，重新发送行/列地址。

Bank 关闭当前工作行，准备打开新行的操作就是预充电（Precharge）。

预充电可以通过独立的命令控制，也可以在每次发送读写命令的同时使用“A10”线控制自动进行预充电。实际上，预充电是一种对工作行中所有存储阵列进行数据重写，并对行地址进行复位，以准备新行的工作。

独立的预充电命令时序见下图。该命令配合使用 A10 线控制，若 A10 为高电平时，所有 Bank 都预充电；A10 为低电平时，使用 BA 线选择要预充电的 Bank。

6. 刷新

SDRAM 要不断进行刷新(Refresh)才能保留住数据，因此它是 DRAM 最重要的操作。

刷新操作与预充电中重写的操作本质是一样的。

但因为预充电是对一个或所有 Bank 中的工作行操作，并且不定期，而刷新则是有固定的周期，依次对所有行进行操作，以保证那些久久没被访问的存储单元数据正确。

刷新操作分为两种：“自动刷新”（Auto Refresh）与**“自我刷新”**(Self Refresh)，发送命令后 CKE 时钟为有效时(低电平)，使用自动刷新操作，否则使用自我刷新操作。不论是何种刷新方式，都不需要外部提供行地址信息，因为这是一个内部的自动操作。

对于“自动刷新”， SDRAM 内部有一个行地址生成器（也称刷新计数器）用来自动地依次生成行地址，每收到一次命令刷新一行。

在刷新过程中，所有 Bank 都停止工作，而每次刷新所占用的时间为 N 个时钟周期(视 SDRAM 型号而定，通常为 N=9)，刷新结束之后才可进入正常的工作状态，也就是说在这 N 个时钟期间内，所有工作指令只能等待而无法执行。

一次次地按行刷新，刷新完所有行后，将再次对第一行重新进行刷新操作，这个对同一行刷新操作的时间间隔，称为 SDRAM 的刷新周期，通常为 64ms。显然刷新会对SDRAM 的性能造成影响，但这是它的 DRAM 的特性决定的，也是 DRAM 相对于 SRAM取得成本优势的同时所付出的代价。

“自我刷新”则主要用于休眠模式低功耗状态下的数据保存，也就是说即使外部控制器不工作了，SDRAM 都能自己确保数据正常。

在发出“自我刷新”命令后，将 CKE 置于无效状态(低电平)，就进入自我刷新模式，此时不再依靠外部时钟工作，而是根据 SDRAM内部的时钟进行刷新操作。

在自我刷新期间除了 CKE 之外的所有外部信号都是无效的，只有重新使 CKE 有效才能退出自我刷新模式并进入正常操作状态。

7. 加载模式寄存器

前面提到 SDRAM 的控制逻辑是根据它的模式寄存器来管理整个系统的，而这个寄存器的参数就是通过“加载模式寄存器”命令(LOAD MODE REGISTER)来配置的。发送该命令时，使用地址线表示要存入模式寄存器的参数“OP-Code”，各个地址线表示的参数见下图：

模式寄存器的各个参数介绍如下：

Burst Length

Burst Length 译为突发长度，下面简称 BL。

突发是指在同一行中相邻的存储单元连续进行数据传输的方式，连续传输所涉及到存储单元（列）的数量就是突发长度。

上文讲到的读/写操作，都是一次对一个存储单元进行寻址，如果要连续读/写就还要对当前存储单元的下一个单元进行寻址，也就是要不断的发送列地址与读/写命令（行地址不变，所以不用再对行寻址）。虽然由于读/写延迟相同可以让数据的传输在 I/O 端是连续的，但它占用了大量的内存控制资源，在数据进行连续传输时无法输入新的命令，效率很低。

为此，人们开发了突发传输技术，只要指定起始列地址与突发长度，内存就会依次地自动对后面相应数量的存储单元进行读/写操作而不再需要控制器连续地提供列地址。

这样，除了第一笔数据的传输需要若干个周期外，其后每个数据只需一个周期即可获得。其实我们在 EERPOM 及 FLASH 读写章节讲解的按页写入就是突发写入，而它们的读取过程都是突发性质的。

非突发连续读取模式：不采用突发传输而是依次单独寻址，此时可等效于 BL=1。虽然也可以让数据连续地传输，但每次都要发送列地址与命令信息，控制资源占用极大。突发连续读取模式：只要指定起始列地址与突发长度，寻址与数据的读取自动进行，而只要控制好两段突发读取命令的间隔周期(与 BL 相同)即可做到连续的突发传输。 而 BL 的数值，也是不能随便设或在数据进行传输前临时决定。在初始化 SDRAM 调用 LOAD MODE REGISTER 命令时就被固定。BL 可用的选项是 1、2、4、8，常见的设定是 4 和 8。若传输时实际需要数据长度小于设定的 BL 值，则调用“突发停止”(BURST TERMINATE)命令结束传输。

BT

模式寄存器中的 BT 位用于设置突发模式，突发模式分为顺序(Sequential)与间隔(Interleaved)两种。在顺序方式中，操作按地址的顺序连续执行，如果是间隔模式，则操作地址是跳跃的。跳跃访问的方式比较乱，不太符合思维习惯，我们一般用顺序模式。顺序访问模式时按照 “0-1-2-3-4-5-6-7”的地址序列访问。

CASLatency

模式寄存器中的 CASLatency 是指列地址选通延迟，简称 CL。在发出读命令(命令同时包含列地址)后，需要等待几个时钟周期数据线 DQ 才会输出有效数据，这之间的时钟周期就是指 CL，CL 一般可以设置为 2 或 3 个时钟周期，见下图：

CL 只是针对读命令时的数据延时，在写命令是不需要这个延时的，发出写命令时可同时发送要写入的数据。

Op Mode

OP Mode 指 Operating Mode，SDRAM 的工作模式。当它被配置为“00”的时候表示工作在正常模式，其它值是测试模式或被保留的设定。实际使用时必须配置成正常模式。

WB

WB 用于配置写操作的突发特性，可选择使用 BL 设置的突发长度或非突发模式。

Reserved

模式寄存器的最后三位的被保留，没有设置参数。

SDRAM 的初始化流程

SDRAM 并不是上电后立即就可以开始读写数据的，它需要按步骤进行初始化，对存储矩阵进行预充电、刷新并设置模式寄存器，见下图：

该流程说明如下：

给 SDRAM 上电，并提供稳定的时钟，至少 100us；

发送“空操作”(NOP) 命令；

发送“预充电”(PRECHARGE) 命令，控制所有 Bank 进行预充电，并等待 tRP 时间，tRP 表示预充电与其它命令之间的延迟；

发送至少 2 个“自动刷新”(AUTO REFRESH) 命令，每个命令后需等待 tRFC 时间，tRFC 表示自动刷新时间；

发送“加载模式寄存器”(LOAD MODE REGISTER) 命令，配置 SDRAM 的工作参数，并等待 tMRD 时间，tMRD 表示加载模式寄存器命令与行有行或刷新命令之间的延迟；

初始化流程完毕，可以开始读写数据。

其中 tRP、tRFC、tMRD等时间参数跟具体的 SDRAM 有关，可查阅其数据手册获知，

STM32 FMC 访问时配置需要这些参数。

SDRAM 的读写流程

初始化步骤完成，开始读写数据。

带 AUTO PRECHARGE 命令的读时序：

带 AUTO PRECHARGE 命令的写时序：

读时序和写时序的命令过程类似：

发送“行有效”(ACTIVE) 命令，发送命令的同时包含行地址和 Bank 地址，然后等待 tRCD 时间，tRCD 表示行有效命令与读/写命令之间的延迟；

发送“读/写”(READ/WRITE) 命令，在发送命令的同时发送列地址，完成寻址的地址输入。对于读命令，根据模式寄存器的 CL 定义，延迟 CL 个时钟周期后，SDRAM 的数据线 DQ 才输出有效数据，而写命令是没有 CL 延迟的，主机在发送写命令的同时就可以把要写入的数据用 DQ 输入到 SDRAM 中，这是读命令与写命令的时序最主要的区别。

图中的读/写命令都通过地址线 A10 控制自动预充电，而 SDRAM 接收到带预充电要求的读/写命令后，并不会立即预充电，而是等待tWR时间才开始，tWR 表示写命令与预充电之间的延迟；

执行“预充电”(auto precharge) 命令后，需要等待 tRP 时间，tRP 表示预充电与其它命令之间的延迟；

图中的标号④处的 tRAS，表示自刷新周期，即在前一个“行有效”与 “预充电”命令之间的时间；

发送第二次“行有效”(ACTIVE) 命令准备读写下一个数据，在图中的标号⑤处的tRC，表示两个行有效命令或两个刷新命令之间的延迟。

其中 tRCD、tWR、tRP、tRAS以及 tRC等时间参数跟具体的 SDRAM 有关，可查阅其数据手册获知，STM32 FMC 访问时配置需要这些参数。