十二、S3C2440 裸机 — SDRAM

12.1 SDRAM 介绍

12.1.1 SDRAM 定义

• SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)：同步动态随机存储器-内存条
  • 同步是指内存工作需要同步时钟，内部的命令的发送与数据的传输都以它为基准；
  • 动态是指存储阵列需要不断的刷新来保证数据不丢失；   对比：SRAM（静态的-触发器）
  • 随机是指数据不是线性依次存储，而是自由指定地址进行数据读写  对比：Flash（块）
• DDR：DDR就是DDR SDRAM，是SDRAM的升级版。（DDR：double data rate，双倍速度的SDRAM）
• SDRAM经历了几代：SDR DDR1 DDR2 DDR3 DDR4 - 速度越来越快（命名方式采取的读写速率）

12.1.2 SDRAM 工作原理

• 先片选中SDRAM，再选择Bank，最后在数据读写时和表格的检索原理一样，先指定一个行（Row），再指定一个列 （Column），就可以准确地找到所需要的单元格，这就是内存芯片寻址的基本原理，参考SDRAM结构图（HY57V561620(L)T）
  • 4Mbit*4banks*16---->  32Mbyte ----> 2^5 * 2^20   需要25根地址线（地址线复用）
• CPU发出片选信号nSCS0（与nGCS6是同一引脚）有效，选中SDRAM芯片
• SDRAM有4个L-BANK，需要两个地址信号来选中其中一个，即BA0、BA1。
• 对被选中的芯片进行同一的行/列（存储单元）寻址、
• 找到存储单元后，被选中的芯片就要进行统一的数据传输。

12.2 存储地址空间

12.2.1 地址空间布局(Memory MAP)

• S3C2440作为32位的CPU，可以使用的地址范围理论上达到4GB。除去用于连接外设的1GB地址空间外，还有一部分是CPU内部寄存器的地址，剩下的地址空间没有使用。
• BANK0-BANK7 0x00000000-0x40000000
• S3C2440的内部外设寄存器地址范围都处于0x48000000-0x5FFFFFFF  (GPIO-0x56000000)
• SDRAM启始地址为：0x30000000
• BANK是用于扩展总线连接外部外设，它的地址和内部外设的地址在一个线性地址空间上。

　　

12.2.2 存储地址与外设的关系

12.2.2.1 存储控制器特性

• 支持小字节序、大字节序（通过软件选择）；
• 每个BANK的地址空间为128MB，总共1GB（8BANKs）；
• 可编程控制的总线宽度（8/16/32-bit），不过BANK0只能选择两种宽度（16/32-bit）；
• 总共8个BANK，BANK0~BANK5可以支持外接ROM、SRAM等，BANK6~BANK7除可以支持ROM、SRAM外，还支持SDRAM等；
• BANK0~BANK6共7个BANK的起始地址是固定的；
• BANK7的起始地址可编程选择；
• BANK6、BANK7的地址空间大小是可编程控制的；
• 每个BANK的访问周期均可编程控制；
• 可以通过外部的“wait”信号延长总线的访问周期；
• 在外接SDRAM时，支持自刷新（self-refresh）和省电模式（power down mode）

12.2.2.2 S3C2440 与存储器相关的引脚

• S3C2440对外引出的27根地址线ADDR0~ADDR26的访问范围只有128MB(2^27)
• CPU对外还引出了8根片选信号nGCS0~nGCS7，对应于BANK0~BANK7，当访问BANKx的地址空间时，nGCSx引脚输出低电平用来选中外接的设备。这样，每个nGCSx对应128MB地址空间，8个nGCSx信号总共就对应了1GB的地址空间。
• 数据线有上32根，DATA0-DATA31。控制信号nOE,nWE,nWait,nGCS0-nGCS5  (数据手册-P49)
• 开发板中NORFlash DM9000 SDRAM接在了BANK上（总线方式扩展外设）

12.2.3  硬件接线图分析

12.2.3.1 NOR Flash

JZ2440 选用的是 MX29LV160D T/B 的型号，它为 2M x 8bit 或 1M x 16bit 的大小，即为 2M/1M 空间大小。8/16 是位宽。

• A0-A19：地址线    2^20 = 1M
• D0-D15：数据线           16bit
• BYTE：选择16/8bit模式,直接接高电平（选择了16bit模式）
  • 因为S3C2440 的BANK0 只支持(16bit/32bit )的位宽，而 NOR Flash 是接在 BANK0上的，所以只能拉高选择16 bit 模式
• CE　--  NGCS0 (BANK0)
• OE　WE　RESET
• VCC　VSS
• CPU_ADDR1 ---  NOR_ADDR0 (忽略了最低位)

12.2.3.2 SDRAM

• BANK0~BANK5的连接方式都是相似的，BANK6连接SDRAM时复杂一点，CPU提供了一组用于SDRAM的信号CS --- BANK6,它的首地址为0x30000000
• SDRAM时钟有效信号SCKE；SDRAM时钟信号SCLK0/SCLK1
• 数据掩码信号DQM0/DQM1/DQM2/DQM3(每个DQM控制8bit,防止写字节数据覆盖前面位-32bit操作的)
• SDRAM片选信号nSCS0（它与nGCS6是同一引脚的两个功能）
• SDRAM行地址选通脉冲信号nSRAS
• SDRAM列地址选通脉冲信号nSCAS
• 写允许信号nWE（它不是专用于SDRAM的），在 JZ2440 中使用的是EM63A165TS ，两个 32M 的SDRAM

HY57V561620(L)T容量：4Banks x 4M x 16Bit   =  32Mbyte，早

• CPU需要64Mbyte(26根地址线)0x03(0x00)
• CPU_ADDR2---- SDRAM_ADDR0
• SDRAM行地址线13根，列地址线9根（Row Address : RA0 ~ RA12, Column Address : CA0 ~ CA8）,它们是复用的
• S3C2440发送一个地址为0x30001000:
  • 当nSRAS有效时，ADDR2-ADDR14发出的是行地址信号，对应bit[23-11]
  • 当nSCAS有效果时,ADDR2-ADDR10发出的是列地址信号，对应bit[10-2]
• 硬件接线图参考数据手册上给的值，当数据线是32位时，最低两位是没有使用的，一个地址对应的是四个字节为了和字节地址统一，不接bit[1-0]到SDRAM中。
• 注意：
  • 逻辑上：
    • 采用按字节编址的方式,每一个地址对应一个字节单元(与存储单元字节数无关)-CPU端设置
  • 物理上：
    • 存储单元:每一个地址对应的存储空间，就是一个存储单元
    • 存储器总容量的字节数 = 总的地址数 X 存储单元字节数
    • 通过扩展地址线/数据线来扩展容量，比如我们内存模块是采用 16M*8bit的内存颗粒，那么我们使用4个颗粒进行字扩展(数据线)，成为16M*32bit，使用4个颗粒进行容量扩展(地址线)变为64M*8bit

　　

12.3 存储器控制器

12.3.1 时序图

• 时序是表达指令执行中各控制信号在时间上的相互关系，由于有了时序才能让 IC 有条不紊的工作。
• 时序图读法：
  • 从上到下，从左到右，高电平在上，低电平在下，高组态在中间。
  • 双线表示可能高也可能低，视数据而定。
  • 交叉线表示状态的高低变化点，可以是高变低，也可以是低变高，也可以不变。
• 时序图的看法：
  • 按照从上到下，从左到右的顺序，每到一个突变点（从0变为1，或从1变为0）时，记录各信号的值，进而分析可知其相应的功能。

12.3.2 寄存器设置

• 存储控制器共有13各寄存器，BANK0-BANK5 只需要设置 BWSCON 和 BANKCONx(x 为 0~5)两个寄存器；
• BANK6、BANK7 外接 SDRAM 时，除 BWSCON 和 BANKCONx(x 为6、7)外，还需要设置 REFRESH、BANKSIZE、MRSRB6、MRSRB7 等 4 各寄存器：
  • BWSCON：
    • STx 用于设置启用 UB/LB(0)
    • WSx 是否使用存储器的 WAIT 信号(0)
    • DWx 用于设置 BANK 位宽
  • BANKCONx(x 为 0 - 5)：用于控制外接设备的访问时序，使用默认的 0x700 即可满足要求
  • BANKCONx(x 为 6、7)：
    • MT[16 - 15] 设置接的是 ROM/SRAM[00] 还是 SDRAM[11]，如果是 00 的话，其他设备和 BANKCONx(x 为 0 - 5) 一样；当 MT 设置成 SDRAM 还需要设置 Trcd[3:2]，RAStoCAS(delay 设置推荐为 01)，Scan[1:0](SDRAM 列地址位数)

12.4 SDRAM 初始化

Makefile

 # 获取当前工作目录
 CURRDIR = $(shell pwd)

 # 头文件所在目录
 INCDIR = $(CURRDIR)

 # 交叉编译工具链的绝对路径
 CROSS_COMPILE = ~/work/s3c2440/tools/gcc-3.4.-glibc-2.3./bin/arm-linux-

 # 编译器工具
 AS            = $(CROSS_COMPILE)as
 LD            = $(CROSS_COMPILE)ld
 CC            = $(CROSS_COMPILE)gcc
 CPP            = $(CC) -E
 AR            = $(CROSS_COMPILE)ar
 NM            = $(CROSS_COMPILE)nm
 STRIP        = $(CROSS_COMPILE)strip
 OBJCOPY        = $(CROSS_COMPILE)objcopy
 OBJDUMP        = $(CROSS_COMPILE)objdump

 # 编译器标识位设置
 CFLAGS :=
 AFLAGS :=
 LDFLAGS :=
 CFLAGS    :=
 AFLAGSL    :=

 # 目标文件设置
 objs := startup.o sdram.o

 all: clean s3c2440.bin

 # 执行编译的过程
 s3c2440.bin: $(objs)
     $(LD) -Ttext 0x00000000 -o s3c2440_elf $^
     $(OBJCOPY) -O binary -S s3c2440_elf $@
     $(OBJDUMP) -D -m arm s3c2440_elf > s3c2440.dis

 %.o:%.c
     $(CC)  -Wall -Wstrict-prototypes -O2 -fomit-frame-pointer -ffreestanding -c -o $@ $<

 %.o:%.S
     $(CC)  -Wall -Wstrict-prototypes -O2 -fomit-frame-pointer -ffreestanding -c -o $@ $<

 clean:
     rm -f *.bin *_elf *.dis *.o

startup.S

 .equ        MEM_CTL_BASE,       0x48000000
 .equ        SDRAM_BASE,         0x30000000

 .text
 .global _start
 _start:
     bl  disable_watch_dog               @ 关闭WATCHDOG，否则CPU会不断重启
     bl  memsetup                        @ 设置存储控制器
     bl  copy_steppingstone_to_sdram     @ 复制代码到SDRAM中
     ldr pc, =on_sdram                   @ 跳到SDRAM中继续执行

 @ 栈是先入后出，SDRAM 的地址为 0x30000000，64M 大小的结束地址为 0x34000000
 on_sdram:
     ldr sp, =0x34000000                 @ 设置堆栈, 此时 pc 指向了栈顶
     bl  main

 halt_loop:
     b   halt_loop

 @ WTCON 寄存器允许用户使能或禁止看门狗定时器、从  个不同源选择时钟信号、使能或禁止中断和使能或禁止看门狗定时器输出。
 @ 看门狗定时器是用于恢复 S3C2440A 上电后若有故障重时新启动；如果不希望控制器重新启动，则应该禁止看门狗定时器。
 @ 如果用户希望使用看门狗定时器作为普通定时器，则应使能中断并且禁止看门狗定时器。
 @ STR{条件}  源寄存器，<存储器地址>
 @ STR指令用于从源寄存器中将一个  位的字数据传送到存储器中。
 disable_watch_dog:
     @ 往 WATCHDOG 寄存器写  即可，操作 WTCON 寄存器
     mov r1,     #0x53000000
     mov r2,     #0x0
     str r2,     [r1]
     mov pc,     lr      @ 返回

 @ S3C2440A 引导代码可以在外部 NAND Flash 存储器上执行。
 @ 为了支持 NAND Flash 的 BootLoader，S3C2440A 配备了一个内置的 SRAM 缓冲器，叫做“Steppingstone”。
 @ 引导启动时，NAND Flash 存储器的开始 4K 字节将被加载到 Steppingstone 中并且执行加载到 Steppingstone 的引导代码。
 copy_steppingstone_to_sdram:
     @ 将Steppingstone 的 4K 数据全部复制到 SDRAM 中去
     @ Steppingstone 起始地址为 0x00000000，SDRAM 中起始地址为 0x30000000

     mov r1, #
     ldr r2, =SDRAM_BASE
     mov r3, #*
 :
     ldr r4, [r1],#     @ 从Steppingstone读取4字节的数据，并让源地址加4
     str r4, [r2],#     @ 将此4字节的数据复制到SDRAM中，并让目地地址加4
     cmp r1, r3          @ 判断是否完成：源地址等于Steppingstone的未地址？
     bne 1b              @ 若没有复制完，继续
     mov pc,     lr      @ 返回

 @ 存储控制器设置
 memsetup:
     @ 设置存储控制器以便使用SDRAM等外设

     mov r1,     #MEM_CTL_BASE       @ 存储控制器的13个寄存器的开始地址
     adrl    r2, mem_cfg_val         @ 这13个值的起始存储地址
     add r3,     r1, #             @ * =
 :
     ldr r4,     [r2], #            @ 读取设置值，并让r2加4
     str r4,     [r1], #            @ 将此值写入寄存器，并让r1加4
     cmp r1,     r3                  @ 判断是否设置完所有13个寄存器
     bne 1b                          @ 若没有写成，继续
     mov pc,     lr                  @ 返回

 .align
 mem_cfg_val:
     @ 存储控制器13个寄存器的设置值
     @ BWSCON 总线宽度和等待控制寄存器
     @ ‭       0000‬
     .long   0x22011110      @ BWSCON
     @ BANKCON0 Bank0 控制寄存器
     @ ‭       0000‬
     @ 设置了访问周期为  各时钟
     .long   0x00000700      @ BANKCON0
     @ BANKCON1 Bank· 控制寄存器
     .long   0x00000700      @ BANKCON1
     @ BANKCON2 Bank2 控制寄存器
     .long   0x00000700      @ BANKCON2
     @ BANKCON3 Bank3 控制寄存器
     .long   0x00000700      @ BANKCON3
     @ BANKCON4 Bank4 控制寄存器
     .long   0x00000700      @ BANKCON4
     @ BANKCON5 Bank5 控制寄存器
     .long   0x00000700      @ BANKCON5
     @ BANKCON6 Bank6 控制寄存器
     @    ‭    0101‬
     @  -  bit 有效：
     @ [:] ：即 MT 设置为同步 DRAM 即 SDRAM
     @ 存储器类型 = ROM 或 SRAM [MT=]（ 位），下面的数据设置为0，只有[:]有效
     @ [:]
     @ [:]
     @ [:]
     @ [:]
     @ [:]
     @ 存储器类型 = SDRAM [MT=]（ 位）时候：
     @ [:] ：Trcd RAS 到 CAS 的延迟，设置为  各时钟(根据 SDRAM 的芯片手册设置)
     @ [:] ：SCAN 列地址数，设置为  列，同样根据 SDRAM 手册设置
     .long   0x00018005      @ BANKCON6
     @ BANKCON7 Bank7 控制寄存器
     .long   0x00018005      @ BANKCON7
     @ REFRESH SDRAM 刷新控制寄存器 [: ] 有效
     @ ‭       0011‬
     @ 具体看芯片手册
     .long   0x008C07A3      @ REFRESH
     .long   0x000000B1      @ BANKSIZE 可变 Bank 大小寄存器
     @ 当代码在 SDRAM 中运行时一定不要改变 MRSR 寄存器
     @ 睡眠模式中，SDRAM 必须使能 SDRAM 自刷新模式
     .long   0x00000030      @ MRSRB6 模式寄存器组寄存器 Bank6
     .long   0x00000030      @ MRSRB7

sdram.c

 /**
  * 将0x56000050 强转为 unsigned long 型指针，并取这个地址的值
  * volatile 关键字：防止编译器优化，在应用层上多线程变量，在嵌入式中外设寄存器
  */
 #define GPFCON      (*(volatile unsigned long *)0x56000050)
 #define GPFDAT      (*(volatile unsigned long *)0x56000054)
 #define GPFUP       (*(volatile unsigned long *)0x56000058)

 /** 设置 GPFCON 的    引脚为输出 */
 #define GPF4_OUT    ( << ( * ))
 #define GPF5_OUT    ( << ( * ))
 #define GPF6_OUT    ( << ( * ))

 static void delay_ms(unsigned long ms);

 int main(void)
 {
     /** 将LED1-3对应的GPF4//6三个引脚设为输出 */
     GPFCON = GPF4_OUT | GPF5_OUT | GPF6_OUT;

     unsigned long i = ;
     while(){
         delay_ms();
         GPFDAT = (~(i<<));         // 根据i的值，点亮LED1,2,4
         if(++i == )
             i = ;
     }
 }

 static void delay_ms(unsigned long ms)
 {
     unsigned int i;

     while(ms--) {
         for(i = ; i < 1200; i++);
     }
 }