第39章 STM32F429的FMC总线应用之SDRAM

39.1 初学者重要提示

学习本章节前，务必优先学习第37章，需要对FMC的基础知识和HAL库的几个常用API有个认识。

学习SDRAM前搞清楚两个问题，一个是SDRAM的基本原理，还有一个就是那几个关键的参数，参数是STM32H7配置SDRAM的关键。这几个参数大概了解是什么意思即可，配置的时候，根据SDRAM的手册配置一下就完成了。

关于SDRAM的学习资料，推荐此贴：http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=1930。特别是《高手进阶，终极内存技术指南——完整/进阶版》，强烈推荐大家一定看下。

STM32F429驱动32位SDRAM的写速度狂飙300MB/S，读速度90MB/S。http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=16836 。

39.2 SDRAM硬件设计

SDRAM的硬件设计如下：

通过这个硬件设计我们要了解到以下几点知识：

  STM32F429采用的32位FMC接口驱动镁光的SDRAM，型号MT48LC4M32B2，最高支持143MHz的时钟，容量16MB。

  标准的SDRAM一般都是4个BANK，这个芯片也不例外，芯片的总容量：1Mbit x 32bit x 4bank = 128Mbit 。

    每个BANK由 4096rows x 256columns x 32bits组成。

    这个比较重要，配置的时候要用到，也就是12行8列。

  片选采用的SDNE0，那么SDRAM的首地址是0xC000 000，控制16MB的空间。

  用到引脚所代表的含义：

了解这些知识就够了，剩下就是软件配置时的参数设置。

39.3 SDRAM驱动设计

下面将程序设计中的相关问题逐一为大家做个说明。

39.3.1 第1步，配置SDRAM的几个重要参数

STM32F429把这几个关键的参数做到了一个寄存器里面了，这些参数，手册上面有一些说明，但比较的笼统。

注：更多的参数介绍可以看本章初学者重要提示部分推荐的文档《高手进阶，终极内存技术指南——完整/进阶版》。

  tRCD（TRCD）：

在发送列读写命令时必须要与行有效命令有一个间隔，这个间隔被定义为tRCD，即RAS to CASDelay（RAS至CAS延迟），大家也可以理解为行选通周期，这应该是根据芯片存储阵列电子元件响应时间（从一种状态到另一种状态变化的过程）所制定的延迟。tRCD是SDRAM的一个重要时序参数，广义的tRCD以时钟周期数为单位，比如tRCD=2，就代表延迟周期为两个时钟周期。具体到确切的时间，则要根据时钟频率而定，对于STM32F429驱动SDRAM，采用的168MHz，实际使用要做2分频，即84MHz，那么我们设置tRCD=2，就代表23.8ns的延迟。

  CL（CAS Latency）：

在选定列地址后，就已经确定了具体的存储单元，剩下的事情就是数据通过数据I/O通道（DQ）输出到内存总线上了。但是在CAS发出之后，仍要经过一定的时间才能有数据输出，从CAS与读取命令发出到第一笔数据输出的这段时间，被定义为CL（CAS Latency，CAS潜伏期）。由于CL只在读取时出现，所以CL又被称为读取潜伏期（RL，Read Latency）。CL的单位与tRCD一样，为时钟周期数，具体耗时由时钟频率决定。数据写入的操作也是在tRCD之后进行，但此时没有了CL（记住，CL只出现在读取操作中）。

  tWR（TWR）：

数据并不是即时地写入存储电容，因为选通三极管（就如读取时一样）与电容的充电必须要有一段时间，所以数据的真正写入需要一定的周期。为了保证数据的可靠写入，都会留出足够的写入/校正时间（tWR，WriteRecovery Time），这个操作也被称作写回（Write Back）。

  tRP（TRP）：

在发出预充电命令之后，要经过一段时间才能允许发送RAS行有效命令打开新的工作行，这个间隔被称为tRP（Precharge command Period，预充电有效周期）。和tRCD、CL一样，tRP的单位也是时钟周期数，具体值视时钟频率而定。

39.3.2 第2步，FMC时钟源选择

STM32F429的FMC是采用的HCLK时钟，位于AHB总线上。比如主频设置的是168MHz，那么FMC时钟也是168MHz。

FMC驱动SDRAM的话，必须对FMC的时钟做2分频或者3分频，而且仅支持这两种分频方式，也就是说，SDRAM时钟可以选择168MHz/2 = 84MHz或者168MHz/3 = 56MHz。

39.3.3 第3步，SDRAM时序参数配置

SDRAM的时序配置主要是下面几个参数，FMC时钟是168MHz，驱动SDRAM做了2分频，也就是84MHz，一个SDRAM时钟周期就是11.90ns，下面参数的单位都是11.90ns：

    SDRAM_Timing.LoadToActiveDelay    = 2;

    SDRAM_Timing.ExitSelfRefreshDelay = 7;

    SDRAM_Timing.SelfRefreshTime      = 4;

    SDRAM_Timing.RowCycleDelay        = 7;

    SDRAM_Timing.WriteRecoveryTime    = 2;

    SDRAM_Timing.RPDelay              = 2;

    SDRAM_Timing.RCDDelay             = 2;

下面就把这几个参数逐一为大家做个说明：

  TMRD

SDRAM_Timing.LoadToActiveDelay  = 2;

TMRD定义加载模式寄存器的命令与激活命令或刷新命令之间的延迟。SDRAM手册上提供的是四种速度等级时提供的参数，V6开发板用的SDRAM支持143MHz，TMRD=2就是13.9ns，而我们实际驱动SDRAM是用的100MHz，TMRD = 1时是10ns，超出了性能范围，TMRD=2时是20ns，所以这里取值2。

  TXSR

SDRAM_Timing.ExitSelfRefreshDelay = 7;

TXSR定义从发出自刷新命令到发出激活命令之间的延迟。SDRAM速度等级143MHz时，最小值为70ns，取值为7的话，那就是11.90ns * 7 = 83.3ns。

  TRAS

SDRAM_Timing.SelfRefreshTime  = 4;

TRAS定义最短的自刷新周期。SDRAM速度等级143MHz时，最小值为42ns。取值为4的话，那就是11.90ns * 4 = 47.6ns。

  TRC

SDRAM_Timing.RowCycleDelay = 7;

TRC定义刷新命令和激活命令之间的延迟。SDRAM速度等级143MHz时，最小值为70ns。取值为7的话，那就是11.90ns * 7 = 83.3ns。

  TWR

SDRAM_Timing.WriteRecoveryTime  = 2;

TWR定义在写命令和预充电命令之间的延迟。SDRAM速度等级143MHz时，最小值为14ns。取值为7的话，那就是11.90ns * 2=23.8ns。

  TRP

SDRAM_Timing.RPDelay  =  2;

TRP定义预充电命令与其它命令之间的延迟。SDRAM速度等级143MHz时，最小值为20ns。取值为2的话，那就是11.90ns * 2=23.8ns。

  TRCD

SDRAM_Timing.RCDDelay = 2;

TRCD定义激活命令与读/写命令之间的延迟。SDRAM速度等级143MHz时，最小值为20ns。取值为2的话，那就是11.90ns * 2=23.8ns。

39.3.4 第4步，SDRAM基本参数配置

SDRAM的基本参数配置如下：

1.    hsdram.Init.SDBank             = FMC_SDRAM_BANK1;              

2.    hsdram.Init.ColumnBitsNumber   = FMC_SDRAM_COLUMN_BITS_NUM_8;   

3.    hsdram.Init.RowBitsNumber      = FMC_SDRAM_ROW_BITS_NUM_12;     

4.    hsdram.Init.MemoryDataWidth    = FMC_SDRAM_MEM_BUS_WIDTH_32;    

5.    hsdram.Init.InternalBankNumber = FMC_SDRAM_INTERN_BANKS_NUM_4;  

6.    hsdram.Init.CASLatency         = FMC_SDRAM_CAS_LATENCY_3;       

7.    hsdram.Init.WriteProtection    = FMC_SDRAM_WRITE_PROTECTION_DISABLE; 

8.    hsdram.Init.SDClockPeriod      = SDCLOCK_PERIOD;                

9.    hsdram.Init.ReadBurst          = FMC_SDRAM_RBURST_ENABLE;       

10.    hsdram.Init.ReadPipeDelay      = FMC_SDRAM_RPIPE_DELAY_1;    

  第1行：硬件设计上用的BANK1。

  第2-3行：镁光的SDRAM，型号MT48LC4M32B2TG-7，12行8列。

  第4行：SDRAM的带宽是32位。

  第5行：SDRAM有4个BANK。

  第6行：CAS Latency可以设置Latency1，Latency2和Latency3，实际测试Latency3稳定。

  第7行：关闭写保护。

  第8行：设置FMC做2分频输出给SDRAM，即168MHz做2分频，SDRAM的时钟是84MHz。

这里的SDCLOCK_PERIOD是个宏定义：

#define SDCLOCK_PERIOD    FMC_SDRAM_CLOCK_PERIOD_2

  第9行：使能读突发。

  第10行：此位定义CAS延时后延后多少个SDRAM时钟周期读取数据，实际测此位可以设置无需延迟。

39.3.5 第5步，SDRAM初始化

SDRAM的初始化如下：

1.    /*

2.    ******************************************************************************************************

3.    *    函 数 名: SDRAM初始化序列

4.    *    功能说明: 完成SDRAM序列初始化

5.    *    形    参: hsdram: SDRAM句柄

6.    *              Command: 命令结构体指针

7.    *    返 回 值: None

8.    ******************************************************************************************************

9.    */

10.    static void SDRAM_Initialization_Sequence(SDRAM_HandleTypeDef *hsdram, 

11.                                              FMC_SDRAM_CommandTypeDef *Command)

12.    {

13.        __IO uint32_t tmpmrd =0;

14.     

15.        /*##-1- 时钟使能命令 ##################################################*/

16.        Command->CommandMode = FMC_SDRAM_CMD_CLK_ENABLE;

17.        Command->CommandTarget = FMC_SDRAM_CMD_TARGET_BANK1;;

18.        Command->AutoRefreshNumber = 1;

19.        Command->ModeRegisterDefinition = 0;

20.    

21.        /* 发送命令 */

22.        HAL_SDRAM_SendCommand(hsdram, Command, SDRAM_TIMEOUT);

23.    

24.        /*##-2- 插入延迟，至少100us ##################################################*/

25.        HAL_Delay(1);

26.    

27.        /*##-3- 整个SDRAM预充电命令，PALL(precharge all) #############################*/

28.        Command->CommandMode = FMC_SDRAM_CMD_PALL;

29.        Command->CommandTarget = FMC_SDRAM_CMD_TARGET_BANK1;

30.        Command->AutoRefreshNumber = 1;

31.        Command->ModeRegisterDefinition = 0;

32.    

33.        /* 发送命令 */

34.        HAL_SDRAM_SendCommand(hsdram, Command, SDRAM_TIMEOUT);

35.    

36.        /*##-4- 自动刷新命令 #######################################################*/

37.        Command->CommandMode = FMC_SDRAM_CMD_AUTOREFRESH_MODE;

38.        Command->CommandTarget = FMC_SDRAM_CMD_TARGET_BANK1;

39.        Command->AutoRefreshNumber = 8;

40.        Command->ModeRegisterDefinition = 0;

41.    

42.        /* 发送命令 */

43.        HAL_SDRAM_SendCommand(hsdram, Command, SDRAM_TIMEOUT);

44.    

45.        /*##-5- 配置SDRAM模式寄存器 ###############################################*/

46.        tmpmrd = (uint32_t)SDRAM_MODEREG_BURST_LENGTH_1          |

47.                         SDRAM_MODEREG_BURST_TYPE_SEQUENTIAL   |

48.                         SDRAM_MODEREG_CAS_LATENCY_3           |

49.                         SDRAM_MODEREG_OPERATING_MODE_STANDARD |

50.                         SDRAM_MODEREG_WRITEBURST_MODE_SINGLE;

51.    

52.        Command->CommandMode = FMC_SDRAM_CMD_LOAD_MODE;

53.        Command->CommandTarget = FMC_SDRAM_CMD_TARGET_BANK1;

54.        Command->AutoRefreshNumber = 1;

55.        Command->ModeRegisterDefinition = tmpmrd;

56.    

57.        /* 发送命令 */

58.        HAL_SDRAM_SendCommand(hsdram, Command, SDRAM_TIMEOUT);

59.    

60.        /*##-6- 设置自刷新率 ####################################################*/

61.        /*

62.            SDRAM refresh period / Number of rows）*SDRAM时钟速度 – 20

63.          = 64ms / 4096 *100MHz - 20

64.          = 1542.5 取值1543

65.        */

66.        HAL_SDRAM_ProgramRefreshRate(hsdram, REFRESH_COUNT); 

67.    }

68.    /*

69.    ******************************************************************************************************

70.    *    函 数 名: SDRAM初始化序列

71.    *    功能说明: 完成SDRAM序列初始化