【转】NiosII中SDRAM相移计算

SDRAM和Nios II连接的典型电路框图如下图所示。SDRAM和System使用同一个PLL输出时钟，可以保证System Clock和SDRAM Clock的相对抖动比较小。外部晶振的时钟送入PLL，然后由PLL产生两个同频的时钟一个供给Nios II系统使用，另一个供给SDRAM使用。（把PLL设置成Zero Buffer Mode可以比较方便地控制SDRAM Clock和输入时钟Extern Clock的相位关系。）Nios II系统中的SDRAM控制器和SDRAM通过双向数据线以及其它的单向控制线和SDRAM相连。

 

SDRAM Clock通常是E0输出或者C2输出，E0和C2都是PLL专用于输出外部时钟的，有比较小的抖动。由于一个FPGA中通常有若干个PLL，综合后使用哪个PLL是由输入时钟Extern Clock决定的，所以SDRAM Clock必须和Extern Clock是同一个PLL的专用输入管腿和专用输出管腿。调试SDRAM和Nios II 的最关键是调整SDRAM Clock的相位。下面推导SDRAM Clock和Extern Clock的相位关系。

 

用实线向上箭头表示Extern Clock的上升沿，用虚线向上箭头表示Sdram Clock的上升沿。先看第一种情况：FPGA输出数据，而SDRAM采样数据。FPGA在Extern Clock上升沿的时候送出数据，经过最大Tcoutmax(FPGA)的时间在FPGA的管腿输出，由于SDRAM的输入建立时间为Tsu(SDRAM)，所以Sdram Clock的采样时机必须在信号到达SDRAM后再等Tsu(SDRAM)。忽略PCB板传输延时，有：

Tlead=T－(Tcoutmax(FPGA)+ Tsu(SDRAM))；其中Tlead 为SDRAM Clock相对Extern Clock的最大提前量，T为时钟周期。

在下一个时钟上升沿来了后，FPGA会驱动新的信号，在经过最小Tcoutmin(FPGA)的时间(相当于输出保持时间)可能把先前驱动的信号冲掉，而SDRAM要求输入信号要求在采样的时候保持Tih(SDRAM)的时间，所以SDRAM的采样时机必须在Tcoutmin(FPGA)到来之前Tih(SDRAM)。忽略PCB板传输延时，有：

Tlag=Tcoutmin(FPGA)-Tih(SDRAM)；其中Tlag 为SDRAM Clock相对Extern Clock的最大落后量，Tih(SDRAM)为SDRAM输入保持时间。

第二种情况：SDRAM输出数据，FPGA采样数据。分析和上面类似，最后有：

Tlead＝Tcoutmin(SDRAM)-Tih(FPGA)；

Tlag= T－(Tcoutmax(SDRAM)+ Tsu(FPGA))；

选取最小的Tlead和最小的TlagSDRAM Clock的允许最大提前量和最大的落后量。举个例子：Nios II 和 SDRAM(MT48LC4M32B2-7)相连主频100MHz。其数据如下：

-        Data In: Tsu = 2 ns, Tih = 1 ns

-        Data Out: Toh (Tcoutmin )= 2.5 ns, Thz/tac (Tcoutmax)= 5.5 ns (CL=3)

l       2.5 – 5.5 ns (Data Undefined)

FGPA的数据可以在编译报告的时序分析部分得到，Tcoutmax(FPGA) ，Tsu(FPGA)，Tih(FPGA)分别可以从Tco，Tsu，Th部分得到各个SDRAM相关信号的最大值。而Tcoutmin(FPGA)则可以运行Fast timing model timing analyzer 来得到。

比如：

-        Data In: Tsu = 1.75 ns, Tih = 0 ns

-        Data Out: Tcoutmin(FPGA) = 2 ns, Tcoutmax(FPGA)=5.5 ns

Tlead=T－(Tcoutmax(FPGA)+ Tsu(SDRAM))＝10ns－5.5ns－2ns＝2.5ns

Tlead＝Tcoutmin(SDRAM)-Tih(FPGA)＝2.5ns－0ns＝2.5ns

选一个小的，仍然是2.5ns。即Tlead＝2.5ns

Tlag=Tcoutmin(FPGA)-Tih(SDRAM)＝2ns－1ns＝1ns

Tlag= T－(Tcoutmax(SDRAM)+ Tsu(FPGA))＝10－5.5ns－1.75ns＝2.75ns

选一个小的，即Tlag=1ns。

所以SDRAM Clock的相对External Clock相位为－2.5ns~+1ns之间。在生成PLL时指定在这个范围内的相位偏移就可以了。

注意：因为FPGA的时序分析报告都是以External Clock来算的，所以我们并没有使用System Clock来分析。

---

搭建好了这个SOPC之后就可以用NIOS来实现我们想要的功能了。下面转入正题，用NIOS内部的SDRAM控制器，在SOPC里添加了这个项目之后，我们就可以狠方便的实现SDRAM的驱动了。因为控制器已经为你引出了SDRAM需要的连线，我们所作的工作只是需要把这些线连起来就可以了，下面简单的介绍一下这些引脚的功能。 CLK--时钟输入 CKE--内部刷新时钟控制端 CS--片选 BA1,0--BANK的选择 A0--A11--地址线，包括行地址与列地址 RAS--行地址选通 CAS--列地址选通 WE--写使能 LDQM,UDQM--字节与字控制端 DQ0--DQ15--数据端 看了这些控制线，大家应该感到狠痛苦了，确实SDRAM的控制确实狠复杂。但是NIOS里的控制器帮我们解决了这些问题，当我们正确的连好了这些线之后，我们就不需要去管它了，NIOS会帮我们处理好这些时序，也就是说我们要作的工作是：1 在SOPC里设计一个根我们用的SDRAM时序一样的控制器，这需要参考SDRAM的资料。2 正确地连接好NIOS与外部SDRAM的连线。3 也是最麻烦的一点，CLK的时序问题。下面着重介绍一下CLK的时序设置。 我们先看一下原理，FPGA里的NIOS2需要一个时钟，SDRAM需要一个时钟，那这两个时钟之间是什么关系呢？答案是很复杂。首先来讲这两个时钟都是PLL的输出，PLL里根据不同的FPGA有不同的选项。

一般来讲，PLL的输出有C1,C0,E1,E0........,C就是说PLL经过内部的复杂逻辑的输出，所以它根原始的时钟输入之间是相位差的，E就是说直接时钟输出，它的相位差几乎位0，但是它需要特定的引脚。我们在设计的时候最好用E端作SDRAM的时钟输入，具体的原因看后面的解释。

这段解析比较勉强，可以说是错误的，其实E0这个信号是Altera用来对外输出的，并非E0就没有经过复杂的运算。在CycloneIII中，好像没有区分内部和外部，估计所以信号都可以对外输出。

 SDRAM的特殊性决定了它的驱动的复杂性，想要完全明白它的所有时序的意义需要很长的时间积累，但是应用的话不需要那么多，所以下面简单介绍一下最关键的几个。 1、                         --输入建立时间，SDRAM里的参数

 2、  --输出保持时间，SDRAM里的参数

 3、 --FPGA从引脚输入到内部逻辑的建立时间

4、 ---FPGA内部逻辑到输出的建立时间

 这是我们计算SDRAM的CLK所需要的几个最关键的参数， 意义是说当NIOS的地址线和数据线到达SDRAM时，需要保持这么长的时间，  是说SDRAM在读取的时候，需要这么长的时间才能把输出值输出到总线上，设CLK为时钟信号，CLK1为SDRAM的时钟，CLK2为FPGA外部引脚的时钟，可以看出来，CLK2-CLK= ,关于CLK2与CLK1我们可以仿真得到他们之间的相差，所以我们要做到的是：

1、   CLK2-CLK1=  

2、   CLK1-CLK2=( + ) (以上的计算是相差的计算)

相差是正的话说明被减数在减数之后。所以通过上边的公式可以确定CLK1的范围，所以在PLL里设置一下就可以让我们的SDRAM满足系统的要求了。关于为什么要用E0来作SDRAM的时钟的问题，首先我们每次编译的结果的时序都不一样，虽然变化部大，但在高频的时候部可忽视，而E0的相位与编译无关，其次，它的抖动比C端要小。现在我的系统跑在75M上，还可以，但感觉这种方法在高频中会有潜在的问题，以后我会进行相应的测试，然后告诉大家结果。 上边算是对SDRAM的一个小结。 下面对FLASH作一下解释，跟SDRAM一样，FLASH只需要连好相应线就可以。但在实际的应用中有一个小问题，就是说假如FLASH的总线是22位的，既21..0,NIOS会给你22..0,所以我们在连接的时候需要错一位，也就是说NIOS的1接FLASH的0，依次类推下去。但有的时候我们需要SDRAM和FLASH公用总线，这就存在一个问题，FLASH需要从1开始接，而SDRAM是从0开始，所以设计公用总线的时候，原理图上SDRAM的A1要接FLASH的A0，这点一定要注意，但发现ALTERA不推荐这么去设计，因为SDRAM需要自己的一套时序，共用的话会大大降低SDRAM的性能，在实际中也发现了这点，所以在资源部紧张的情况下还是部要复用。还有NIOS对AMD的FLASH支持的很好，其他的象SST的FLASH ,对以前的200，400，800系列支持的好，但之后的160，320，640就支持部好了，所以用NIOS的时候最好用AMD的FLASH.
       SDRAM使用注意事项：

 1． 首先要在sopc里加入sdram控制器，根据器件手册设置好数据宽度，行列地址宽度等；

 2． 加入PLL移相。因为SDRAM为动态的存储器，对时序要求比较高.因为有延迟，所以加入PLL来调整相位，一般的经典值为-63deg，要是不行，可以每5度增加或者减少；用cylone器件时最好用e0输出SDRAM的时钟，同时用专用的时钟输出引脚输出；cycloneⅡ用c2；

 3． 数据线设置成双向，同时因为管脚比较多，务必要保证管脚锁定正确；

#include "system.h" #include "altera_avalon_pio_regs.h" #include "alt_types.h" int main (void) __attribute__ ((weak, alias ("alt_main"))); int alt_main (void) {unsigned char sdrw_d[60],sdrr_d[60],i;   for(i=0;i<50;i++)     {       sdrw_d = 0x0;     }     for(i=0;i<50;i++)     {       sdrw_d = i;       IOWR(SDRAM_BASE, i, sdrw_d);     }     for(i=0;i<50;i++)     {       sdrr_d = 0x0;     }     for(i=0;i<50;i++)     {       sdrr_d = IORD(SDRAM_BASE, i);       if(sdrr_d != sdrw_d)         while(1){IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(LED_PIO_BASE, 0xff);};     } }

在sopc里加入SDRAM控制器，命名为SDRAM，让程序在片上RAM执行，
本例中，当读写的数据不一致时，输出信号来点亮LED，也可以根据实际情况另做判断。比如在循环那里加断点，总之，是要判断程序是否进入死循环，从而判断读写数据是否一致。