使用SDRAM原因

• 一般的 MCU 接口屏，比如 SPI 屏，8080 接口屏等是可以不需要外置显存的。这些屏幕可以通过发送命令当方式告诉屏幕坐标，然后再发送对应的像素数据
• 但是 RGB 接口屏没命令可以发，一般是告诉 LTDC 一个内存地址，由 LTDC 控制器去内存拿像素值不断去扫描刷新屏幕的
• 我们的屏幕是 1024*600 的，颜色格式 RGB565 ，所以需要 1024*600*2 = 1,228,800 字节 = 1200K 字节内存作为屏幕显存。MCU 芯片本身自带的 RAM 大小不够，所以要用到外部 SDRAM 或者 SRAM。我们这里用到的是 W9825G6KH 这颗 SDRAM，容量 32MByte

SDRAM简介

• SDRAM，英文名是：Synchronous Dynamic Random Access Memory，即同步动态随机存储器，相较于 SRAM（静态存储器），SDRAM 具有：容量大和价格便宜的特点。 STM32H743 支持 SDRAM，因此，我们可以外挂 SDRAM，从而大大降低外扩内存的成本。

• 当前开发板使用的 SDRAM 型号是 W9825G6KH，其内部结构框图如下图所示：

  

• 接下来，我们结合上面的图，对 SDRAM 的几个重要知识点进行介绍。

SDRAM信号线

• SDRAM 信号线如下表所示：

  信号线	说明
  CLK	时钟信号，在该时钟的上升沿采集输入信号
  CKE	时钟使能，禁止时钟时，SDRAM 会进入自刷新模式
  CS#	片选信号，低电平有效
  RAS#	行地址选通信号，低电平时，表示行地址
  CAS#	列地址选通信号，低电平时，表示列地址
  WE#	写使能信号，低电平有效
  A0~A12	地址线（行/列）
  BA0，BA1	BANK 地址线
  DQ0~15	数据线
  DQML，DQMH	数据掩码，表示 DQ 的有效部分

存储单元

• SDRAM 的存储单元（称之为：BANK）是以阵列的形式排列的，如下图所示：

  

• 对于这个存储阵列，我们可以将其看成是一个表格，只需要给定行地址和列地址，就可以确定其唯一位置，这就是 SDRAM 寻址的基本原理。而一个 SDRAM 芯片内部，一般又有 4 个这样的存储单元（BANK），所以，在 SDRAM 内部寻址的时候，先指定 BANK 号和行地址，然后再指定列地址，就可以查找到目标地址。

• SDRAM 的存储结构示意图，如下所示:

  

• 寻址的时候，首先 RAS 信号为低电平，选通行地址，地址线 A0~A12 所表示的地址，会被传输并锁存到行地址译码器里面，最为行地址，同时 BANK 地址线上面的 BS0，BS1 所表示的 BANK 地址，也会被锁存，选中对应的 BANK，然后， CAS 信号为低电平，选通列地址，地址线A0~A12 所表示的地址，会被传输并锁存到列地址译码器里面，作为列地址，这样，就完成了一次寻址。

• W9825G6KH 的存储结构为：行地址：8192 个；列地址：512 个； BANK 数： 4 个；位 宽：16 位；这样，整个芯片的容量为： 8192*512*4*16=32M 字节。

数据传输

• 在完成寻址以后，数据会通过数据线 DQ0~DQ15 写入（或读出）到存储阵列。
• 特别注意：因为 SDRAM 的位宽，可以达到 32 位，也就是最多有 32 条数据线，在实际使用的时候，我们可能会以：8 位、16 位、24 位和 32 位等宽度来读写数据，这样的话，并不是每条数据线，都会被使用到，未被用到的数据线上面的数据，必须被忽略，这个时候就需要用到数据掩码（ DQM）线来控制了，每一个数据掩码线，对应 8 个位的数据，低电平表示对应数据位有效，高电平表示对应数据位无效。
• 以 W9825G6KH 为例，假设以 8 位数据访问， 我们只需要 DQ0~DQ7 的数据，而 DQ8~DQ15 的数据需要忽略，此时，我们只需要设置 LDQM 为低电平， UDQM 为高电平，就可以了。

控制命令

• SDRAM 的驱动需要用到一些命令，我们列出几个常用的命令给大家做讲解，如下表所示：

  命令	CS	RAS	CAS	WE	DQM	ADDR	DQ
  NO-Operation	L	H	H	H	x	x	x
  Active	L	L	H	H	x	Bank/Row	x
  Read	L	H	L	H	L/H	Bank/Col	DATA
  Write	L	H	L	L	L/H	Bank/Col	DATA
  Precharge	L	L	H	L	x	A10=H/L	x
  Refresh	L	L	L	H	x	x	x
  Mode Register Set	L	L	L	L	x	MODE	x
  Burst Stop	L	H	H	L	x	x	DATA

NO-Operation

• NO-Operation，即空操作命令，用于选中 SDRAM，防止 SDRAM 接受错误的命令，为接下来的命令发送做准备。

Active

• Active，即激活命令，该命令必须在读写操作之前被发送，用于设置所需要的 Bank 和行地址（同时设置这 2 个地址），Bank 地址由 BS0，BS1（也写作 BA0，BA1，下同）指定，行地址由 A0~A12 指定，时序图如下所示：

  

Read/Write

• Read/Write，即读/写命令，在发送完激活命令后，再发送列地址就可以完成对 SDRAM 的寻址，并进行读写操作了，读/写命令和列地址的发送，是通过一次传输完成的，如下图所示：

  

• 列地址由 A0~A9 指定，WE 信号控制读/写命令，高电平表示读命令，低电平表示写命令，各条信号线的状态，在 CLK 的上升沿被锁存到芯片内部。

Percharge

• Percharge，即预充电指令，用于关闭 Bank 中所打开的行地址。由于 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 Bank 的另一行进行寻址，就要将原来有效（打开）的行关闭，重新发送行/列地址。Bank 关闭现有行，准备打开新行的操作就叫做预充电（Percharge）。预充电命令时序，如下图所示：

  

• 预充电命令可以通过独立的命令发送，也可以在每次发送读/写命令的时候，使用地址线 A10，来设置自动预充电。在发送读/写命令的时候，当 A10=1，则使能所有 Bank 的预充电，在读/写操作完成后，自动进行预充电。这样，下次读/写操作之前，就不需要再发预充电命令了，从而提高读/写速度。

Refresh

• Refresh，即刷新命令，用于刷新一行数据。SDRAM 里面存储的数据，需要不断的进行刷新操作才能保留住，因此刷新命令对于 SDRAM 来说，尤为重要。预充电命令和刷新命令，都可以实现对 SDRAM 数据的刷新，不过预充电仅对当前打开的行有效（仅刷新当前行），而刷新命令，则可以依次对所有的行进行刷新操作。
• 总共有两种刷新操作：自动刷新（Auto Refresh）和自我刷新（Self Refresh），在发送 Refresh 命令时，如果 CKE 有效（高电平），则使用自动刷新模式，否则使用自我刷新模式。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。
• 自动刷新： SDRAM 内部有一个行地址生成器（也称刷新计数器）用来自动的依次生成要刷新的行地址。由于刷新是针对一行中的所有存储体进行，所以无需列寻址。刷新涉及到所有 Bank，因此在刷新过程中，所有 Bank 都停止工作，而每次刷新所占用的时间为 9 个时钟周期（PC133 标准），之后就可进入正常的工作状态，也就是说在这 9 个时钟期间内，所有工作指令只能等待而无法执行。刷新操作必须不停的执行，完成一次所有行的刷新所需要的时间，称为刷新周期，一般为 64ms。显然，刷新操作肯定会对 SDRAM 的性能造成影响，但这是没办法的事情，也是 DRAM 相对于 SRAM（静态内存，无需刷新仍能保留数据）取得成本优势的同时所付出的代价。
• 自我刷新：主要用于休眠模式低功耗状态下的数据保存，在发出自动刷新命令时，将 CKE 置于无效状态（低电平），就进入了自我刷新模式，此时不再依靠系统时钟工作，而是根据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（无需外部提供刷新指令），只有重新使 CKE 有效（高电平）才能退出自刷新模式并进入正常操作状态。

Mode Register Set

• Mode Register Set，即设置模式寄存器。 SDRAM 芯片内部有一个逻辑控制单元，控制单元的相关参数由模式寄存器提供，我们通过设置模式寄存器命令，来完成对模式寄存器的设置，这个命令在每次对 SDRAM 进行初始化的时候，都需要用到。

• 发送该命令时，通过地址线来传输模式寄存器的值，W9825G6KH 的模式寄存器描述如下图所示：

  

• 由图可知，模式寄存器的配置分为几个部分：

  1. Burst Length，即突发长度（简称 BL），通过 A0~A2 设置，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。
  • 前面我们说的读/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，除了第一个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的即可获得。
  • 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。虽然可以让数据是连续的传输，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。 至于 BL 的数值，也是不能随便设或在数据进行传输前临时决定，而是在初始化的时候，通过模式寄存器设置命令，进行设置。目前可用的选项是 1、 2、 4、 8、全页（Full Page），常见的设定是 4 和 8。若传输长度小于突发长度，则需要发送 Burst Stop（停止突发）命令，结束突发传输。
  2. Addressing Mode，即突发访问的地址模式，通过 A3 设置，可以设置为：Sequential（顺序）或 Interleave（交错）。顺序方式，地址连续访问，而交错模式则地址是乱序的，一般选连续模式。
  3. CAS Latency，即列地址选通延迟（简称 CL）。在读命令（同时发送列地址）发送完之后，需要等待几个时钟周期， DQ 数据线上的数据，才会有效，这个延迟时间，就叫 CL，一般设置为 2/3 个时钟周期，如下图所示：

  

  • 特别注意：列地址选通延迟（CL），仅在读命令的时候有效果，在写命令的时候，并不需要这个延迟。
  4. Write Mode，即写模式，用于设置单次写的模式，可以选择突发写入或者单次写入。

初始化

• SDRAM 上电后，必须进行初始化，才可以正常使用。SDRAM 初始化时序图如下图所示：

  

• 初始化过程分为五步：

• ① 上电，此步，给 SDRAM 供电，使能 CLK 时钟，并发送 NOP（No Operation 命令），注意，上后，要等待最少 200us，再发送其他指令。

• ② 发送预充电命令，给所有 Bank 预充电。

• ③ 发送自动刷新命令，这一步，至少要发送 8 次自刷新命令，每一个自刷新命令之间的间隔时间为 tRC。

• ④ 设置模式寄存器，这一步，发送模式寄存器的值，配置 SDRAM 的工作参数。配置完成后，需要等待 tMRD(也叫 tRSC)，使模式寄存器的配置生效，才能发送其他命令。

• ⑤ 完成，经过前面四步的操作，SDRAM 的初始化就完成了，接下来就可以发送激活命令和读/写命令，进行数据的读/写了。

• 这里提到的 tRC、tMRD 和 tRSC 见 SDRAM 的芯片数据手册。

写操作

• 在完成对 SDRAM 的初始化后，我们就可以对 SDRAM 进行读写操作了，写操作时序图如下所示：

  

• SDRAM 的写流程如下：

• ① 发送激活命令，此命令同时设置行地址和 BANK 地址，发送该命令后，需要等待 tRCD 时间，才可以发送写命令。

• ② 发送写命令，在发送完激活命令，并等待 tRCD 后，发送写命令，该命令同时设置列地址，完成对 SDRAM 的寻址。同时，将数据通过 DQ 数据线，存入 SDRAM。

• ③ 使能自动预充电，在发送写命令的同时，拉高 A10 地址线，使能自动预充电，以提高读写效率。

• ④ 执行预充电，预充电在发送激活命令的 tRAS 时间后启动，并且需要等待 tRP 时间，来完成。

• ⑤ 完成一次数据写入，最后，发送第二个激活命令，启动下一次数据传输。这样，就完成了一次数据的写入。

读操作

• 前面介绍了 SDRAM 的写操作，接下来我们看读操作时序，如下图所示：

  

• SDRAM 的读流程如下：

• ① 发送激活命令，此命令同时设置行地址和 BANK 地址，发送该命令后，需要等待 tRCD 时间，才可以发送读命令。

• ② 发送写命令，在发送完激活命令，并等待 tRCD 后，发送读命令，该命令同时设置列地址，完成对 SDRAM 的寻址。读操作还有一个 CL 延迟（ CAS Latency），所以需要等待给定的 CL 延迟（2 个或 3 个 CLK）后，再从 DQ 数据线上读取数据。

• ③ 使能自动预充电，在发送读命令的同时，拉高 A10 地址线，使能自动预充电，以提高读写效率。

• ④ 执行预充电，预充电在发送激活命令的 tRAS 时间后启动，并且需要等待 tRP 时间来完成。

• ⑤ 完成一次数据写入，最后，发送第二个激活命令，启动下一次数据传输。这样就完成了一次数据的读取。

• SDRAM 的简介，就给大家介绍到这里，以上，tRCD、tRAS 和 tRP 等时间参数，见 SDRAM 的数据手册，且在后续配置 FMC 的时候需要用到。