DDR2 SDRAM（五）初始化

因为DDR2本质上只是更高级的一种SRAM，底层操作原理和SRAM是一样的，所以很多基础的东西就不再赘述了。

一、原理

在初始化之前，DDR2芯片需要先上电，芯片有多个需要提供的电压，其大小和顺序也有要求，这部分算是物理层的，在此不作研究。

在上电稳定之后，还需要等待时钟稳定才能进行操作。

时钟稳定后，开始第一轮对LMR的操作，配置四个(E)MRS，实现激活DLL和DLL复位的功能。

随后进行至少两次自动刷新，再开始第二轮对LMR的操作，配置四个(E)MRS，实现停止DLL复位和退出OCD的功能。

稳定后即完成了初始化，DDR2可以正常工作。

二、模块框图和接口

三、时序图

注意，这些延迟的具体值和数据速率(Data Rate)密切相关，即和串口时钟频率相关，在这里假设串口时钟频率为400MHz（即下图中的-25），那么一个周期就是T=2.5ns，延迟周期数将使用2.5ns计算。

假设容量为8Meg*16*4banks（512Gb），因此dq位宽为16，ba位宽为2，行addr位宽为13，列addr位宽为10。

根据芯片手册的时序图，舍弃部分无用的信号，增添具体信号值，查阅手册得到准确的延时（延时部分内容太多，涉及到的都放在本文末尾），画出更清晰的时序图如下。

其中第三条之后的虚线为系统时钟sys_clk的上升沿，用于输出值的改变；输给DDR2的接口时钟clk&clk_n应当比sys_clk延迟半个周期，用于采样。

这里又遇到了如何生成sys_clk和clk&clk_n的问题，放在后文详述。（又挖坑了）

其中addr总线的具体值描述如下。
EMR(2)：不用考虑高温自刷新的问题，全为0即可。
EMR(3)：保留，全为0。
EMR_1：此处需要打开DLL功能，所以A0为0；还有两个参数需要关注，A3~A5和A7~A9。前者是关于AL的长度（详见DDR2 SDRAM（二）信号和时序-CSDN博客），后者是OCD校准，在这里为了简化，都设为0。另外，也去掉一些不必要的信号和接口，所以A10为1（关闭dqs_n），A11为0（关闭rdqs）。此处ODT必须禁用。
MR_1：此处需要将DLL复位，所以A8为1，其余全为0。注意复位后要至少200个周期才能读。
MR_2：此处需要停止DLL复位，所以A8为0；A0~A2是突发长度，设为011(8)；A4~A6是CAS延迟，根据上文的假设，设为110(6)；A9~A11是自动预充电的写恢复时间，本次设计中不打算加入此功能，只需要知道这个时间是tWR，可以通过查表得到，此处为了方便直接设为101(6)。
EMR_2：想要退出OCD校准，要先在此处设置DLL default，即A7~A9都为1。ODT就设为75Ω好了，所以A6为0，A2为1。
EMR_3：此处需要退出OCD校准，A7~A9都为0。

注意：为了提高代码的灵活性，以上提到的参数都应该使用parameter定义。

四、状态机

1. 复位撤销后，开始计数，计数到80000时拉高cke并将init_amd设置为NOP。
2. 计数到80000+160时，拉高A10选中所有bank，并将init_amd设置为PREC，等待tRPA。
3. 将init_amd设置为LM，BA设为10，init_addr设为13’b0，等待tMRD。
4. 将init_amd设置为LM，BA设为11，init_addr设为13’b0，等待tMRD。
5. 将init_amd设置为LM，BA设为01，init_addr[10]设为1，其余为0，等待tMRD。
6. 将init_amd设置为LM，BA设为00，init_addr[8]设为1，其余为0，等待tMRD。
7. 拉高A10选中所有bank，并将init_amd设置为PREC，等待tRPA。
8. 将init_amd设置为REF，等待tRFC。
9. 将init_amd设置为REF，等待tRFC。
10. 将init_amd设置为LM，BA设为00，init_addr[2:0]为011，init_addr[6:4]为110，init_addr[11:9]为101,其余为0，等待tMRD。
11. 将init_amd设置为LM，BA设为01，init_addr[9:7]为111，init_addr[10]为1，init_addr[2]为1，其余为0，等待tMRD。
12. 将init_amd设置为LM，BA设为01，init_addr[10]设为1，init_addr[2]为1，其余为0，等待tMRD。
13. 初始化完成。

五、代码实现

/***************************************************************************************
作者:not_lubao
2024-11-1
×××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××*/// DDR2初始化模块，初始化步骤:上电--延时200us--拉高cke--延时400ns--预充电--寄存器配置--刷新n次--寄存器配置--完成module ddr2_init(
input          sys_clk     ,     //系统时钟信号100MHz
input          rstn        ,     //系统复位信号output         cke         ,     //时钟使能
output   [1:0] init_ba     ,     //Bank
output   [3:0] init_cmd    ,     //命令
output  [12:0] init_addr   ,     //地址
output         init_end          //初始化结束标志
);/***********************参数************************/
//状态机
parameter      IDLE           = 6'd0       ,WAIT_IDLE      = 6'd1       ,CLK_EN         = 6'd2       ,WAIT_CKE       = 6'd3       ,P_CHAR         = 6'd4       ,WAIT_PREC      = 6'd5       ,LM_EMR2        = 6'd6       ,LM_EMR3        = 6'd7       ,LM_EMR_1       = 6'd8       ,LM_MR_1        = 6'd9       ,LM_MR_2        = 6'd10      ,LM_EMR_2       = 6'd11      ,LM_EMR_3       = 6'd12      ,WAIT_LM        = 6'd13      ,AUTO_REF       = 6'd14      ,WAIT_REF       = 6'd15      ,WAIT_DLL_RST   = 6'd16      ,END            = 6'd17      ;//等待时间 比实际要求最小值多一个周期
parameter      T_INIT         = 17'd80000  ,  //上电后等待T_CKE          = 17'd160    ,  //拉高cke后等待T_tRPA         = 17'd6      ,  //充电后等待T_tMRD         = 17'd1      ,  //配置寄存器后等待T_tRFC         = 17'd42     ,  //刷新后等待T_DLL_RST      = 17'd110    ;  //拉高cke后等待（大于99）//指令                                     
parameter      LM             = 4'b0000    ,REF            = 4'b0001    ,PREC           = 4'b0010    ,ACT            = 4'b0011    ,WR             = 4'b0100    ,RD             = 4'b0101    ,NOP            = 4'b0111    ;//自刷新次数                    
parameter      REF_TIME       = 4'd2       ;//模式寄存器的值                
parameter      EMR2           = 13'b0                 ,  //​不用考虑高温自刷新的问题，全为0EMR3           = 13'b0                 ,  //​保留EMR_1          = 13'b0_0010_0000_0000  ,  //​[0]为0（打开DLL功能）；[5:3]（AL长度）和[9:7]（OCD校准）都为0；[10]为1（关闭dqs_n），[11]为0（关闭rdqs）；{[6],[2]}为01（ODT=75Ω）MR_1           = 13'b0_0000_1000_0000  ,  //[8]为1（DLL复位），其余全为0MR_2           = 13'b0_0101_0011_0011  ,  //[8]为0（停止DLL复位）；[2:0]为011（突发长度8）；[6:4]为110（CAS延迟6）；[11:9]为101（自动预充电的写恢复时间6）EMR_2          = 13'b0_0011_1100_0010  ,  //[9:7]为111（OCD default）；{[6],[2]}为01（ODT=75Ω）EMR_3          = 13'b0_0010_0000_0010  ;  //[9:7]为000（退出OCD校准）/* 模式寄存器的具体值受芯片型号影响，以下仅做参考
MR[2:0]       ： 突发长度  4（010）或8（011）[3]         ： 突发类型  0（顺序）或1（插入）[6:4]       ： CAS延迟  010（2）到111（7），一般大于3[7]         ： 测试模式  0（正常工作）或1（测试）[8]         ： DLL复位  0（无效）或1（有效）[11:9]      ： 带自动预充电的写恢复时间  010（2）到111（7），一般大于2[12]        ： 活跃低功耗模式的退出时间  0（快退出 tXARD）或1（慢退出 tXARDS）EMR[0]        ： DLL功能  0（开启）或1（关闭）[1]        ： D.I.C 输出驱动阻抗  0（满强度）或1（降低强度）{[6],[2]}  ： Rtt  00（无效）或01（75Ω）或10（150Ω）或11（50Ω）[5:3]      ： AL 额外延时  000（0）到110（6），111为保留[9:7]      ： OCD校准  000（退出）或001（驱动1）或010（驱动0）或100（调整）或111（default）[10]       ： 差分DQS  0（启用）或1（禁用）[11]       ： RDQS  0（禁用）或1（启用）[12]       ： Qoff输出控制 0（启用）或1（禁用），包括DQ/DQS/RDQS
*//***********************寄存器************************/
reg      [5:0] r_state, r_next_state  ;
reg     [16:0] r_latency_T            ;  //延时长度寄存器
reg     [16:0] r_cnt_wait           ;  //计时计数器值
reg      [3:0] r_ref_cnt            ;  //刷新次数计数
reg      [7:0] r_cke_cnt              ;  //CKE拉高时间计数器reg            r_cke                  ;
reg      [1:0] r_init_ba              ; 
reg      [3:0] r_init_cmd             ;
reg     [12:0] r_init_addr            ;
reg            r_init_end             ;/***********************时序逻辑************************/
always@(posedge sys_clk or negedge rstn) begin  //计时器模块if(!rstn)r_cnt_wait <= 17'd0;else if(r_cnt_wait == r_latency_T)  //计满自动清零r_cnt_wait <= 17'd0;elser_cnt_wait <= r_cnt_wait +17'd1;
endalways@(posedge sys_clk or negedge rstn) begin  //刷新次数计数器if(!rstn)r_ref_cnt <= 4'd0;else if((r_ref_cnt == REF_TIME) && (r_cnt_wait == T_tRFC))  //达到设定刷新次数且本次刷新后等待时间tRFC结束r_ref_cnt <= 4'd0;else if(r_next_state == AUTO_REF)  //下一个状态是刷新r_ref_cnt <= r_ref_cnt + 4'd1;elser_ref_cnt <= r_ref_cnt;
end/*各个state持续时间的设定
在切换状态的一瞬间，计数器执行清零操作，目标计数值被重新赋值，这样就实现了延时参数的传递
那样就可以只使用一个计数器*/
always@(posedge sys_clk or negedge rstn) begin if(!rstn)r_latency_T <= 10'd0;elsecase(r_next_state)IDLE          :  r_latency_T <= 10'd0      ;WAIT_IDLE     :  r_latency_T <= T_INIT     ;CLK_EN        :  r_latency_T <= 10'd0      ;   WAIT_CKE      :  r_latency_T <= T_CKE      ;P_CHAR        :  r_latency_T <= 10'd0      ;WAIT_PREC     :  r_latency_T <= T_tRPA     ;LM            :  r_latency_T <= 10'd0      ;WAIT_LM       :  r_latency_T <= T_tMRD     ;AUTO_REF      :  r_latency_T <= 10'd0      ;WAIT_REF      :  r_latency_T <= T_tRFC     ;WAIT_DLL_RST  :  r_latency_T <= T_DLL_RST  ;END           :  r_latency_T <= 10'd0      ;default       :  r_latency_T <= 10'd0      ;endcase
end/***********************组合逻辑************************/
assign cke        =  r_cke        ;
assign init_cmd   =  r_init_cmd   ;
assign init_addr  =  r_init_addr  ;
assign init_ba    =  r_init_ba    ;
assign init_end   =  r_init_end   ;/***********************状态机************************/
always@(posedge sys_clk or negedge rstn) begin//状态转移if(!rstn)r_state <= IDLE;elser_state <= r_next_state;
endalways@(*) begin  //状态转移判断模块，根据计时时间判断是否已经持续相应时间长度if(!rstn)r_next_state = IDLE;elsecase(r_state)IDLE          :r_next_state = WAIT_IDLE;WAIT_IDLE     :if(r_cnt_wait == r_latency_T)r_next_state = CLK_EN;elser_next_state = r_state;CLK_EN        :r_next_state = WAIT_CKE;WAIT_CKE      :if(r_cnt_wait == r_latency_T)r_next_state = P_CHAR;elser_next_state = r_state;P_CHAR        :r_next_state = WAIT_PREC;WAIT_PREC     :if(r_cnt_wait == r_latency_T)r_next_state = LM_EMR2;elser_next_state = r_state;LM_EMR2       :r_next_state = WAIT_LM;WAIT_LM       :if(r_cnt_wait == r_latency_T)r_next_state = LM_EMR3;elser_next_state = r_state;LM_EMR3       :r_next_state = WAIT_LM;WAIT_LM       :if(r_cnt_wait == r_latency_T)r_next_state = LM_EMR_1;elser_next_state = r_state;LM_EMR_1      :r_next_state = WAIT_LM;WAIT_LM       :if(r_cnt_wait == r_latency_T)r_next_state = LM_MR_1;elser_next_state = r_state;LM_MR_1       :r_next_state = WAIT_LM;WAIT_LM       :if(r_cnt_wait == r_latency_T)r_next_state = P_CHAR;elser_next_state = r_state;P_CHAR        :r_next_state = WAIT_PREC;WAIT_PREC     :if(r_cnt_wait == r_latency_T)r_next_state = AUTO_REF;elser_next_state = r_state;AUTO_REF      :r_next_state = WAIT_REF;WAIT_REF      :    if((r_ref_cnt == REF_TIME) && (r_cnt_wait == r_latency_T))  //达到设定刷新次数且本次刷新后等待时间tRC结束r_next_state = LM_MR_2;else if(r_cnt_wait == r_latency_T)r_next_state = AUTO_REF;elser_next_state = r_state;LM_MR_2       :r_next_state = WAIT_LM;WAIT_LM       :if(r_cnt_wait == r_latency_T)r_next_state = LM_EMR_2;elser_next_state = r_state;LM_EMR_2      :r_next_state = WAIT_LM;WAIT_LM       :if(r_cnt_wait == r_latency_T)r_next_state = LM_EMR_3;elser_next_state = r_state;LM_EMR_3      :r_next_state = WAIT_LM;WAIT_LM       :if(r_cnt_wait == r_latency_T)r_next_state = WAIT_DLL_RST;elser_next_state = r_state;WAIT_DLL_RST  :if(r_cnt_wait == r_latency_T)r_next_state = END;elser_next_state = r_state;END           :    r_next_state = END;default       : r_next_state = IDLE;endcase
endalways@(posedge sys_clk or negedge rstn) begin //输出模块，三段式状态机if(!rstn) beginr_init_cmd  <= NOP      ;r_init_ba   <= 2'b11    ;r_init_addr <= 13'h1fff ;r_init_end  <= 1'b0     ;end else case(r_state)IDLE,WAIT_IDLE,WAIT_CKE,WAIT_PREC,WAIT_LM,WAIT_REF,WAIT_DLL_RST : beginr_init_cmd  <= NOP       ;r_init_ba   <= 2'b11     ;r_init_addr <= 13'h1fff  ;endCLK_EN    : beginr_cke       <= 1'b1      ;endP_CHAR    : beginr_init_cmd  <= PREC      ;r_init_ba   <= 2'b11     ;r_init_addr <= 13'h1fff  ;endLM_EMR2   : beginr_init_cmd  <= LM        ;r_init_ba   <= 2'b10     ;r_init_addr <= EMR2      ;endLM_EMR3   : beginr_init_cmd  <= LM        ;r_init_ba   <= 2'b11     ;r_init_addr <= EMR3      ;endLM_EMR_1  : beginr_init_cmd  <= LM        ;r_init_ba   <= 2'b01     ;r_init_addr <= EMR_1     ;endLM_MR_1   : beginr_init_cmd  <= LM        ;r_init_ba   <= 2'b00     ;r_init_addr <= MR_1      ;endLM_MR_2   : beginr_init_cmd  <= LM        ;r_init_ba   <= 2'b00     ;r_init_addr <= MR_2      ;endLM_EMR_2  : beginr_init_cmd  <= LM        ;r_init_ba   <= 2'b01     ;r_init_addr <= EMR_2     ;endLM_EMR_3  : beginr_init_cmd  <= LM        ;r_init_ba   <= 2'b01     ;r_init_addr <= EMR_3     ;endAUTO_REF  : beginr_init_cmd  <= REF       ;r_init_ba   <= 2'b11     ;r_init_addr <= 13'h1fff  ;endEND       : beginr_init_cmd  <= NOP       ;r_init_ba   <= 2'b11     ;r_init_addr <= 13'h1fff  ;r_init_end  <= 1'b1      ;enddefault   : beginr_init_cmd  <= NOP       ;r_init_ba   <= 2'b11     ;r_init_addr <= 13'h1fff  ;endendcase
endendmodule

注：本模块和后续模块不再进行单独仿真，可能会有bug，最终仿真完成会统一修改，然后删掉这句话。

附：延时查找表