STM32——“扩展动态随机存储器SDRAM”

引入

随着单片机的性能提高，我们想要在单片机上实现的功能有时需要外扩彩色屏幕，但是单片机的内存太小，而屏幕需要的缓存又太大，因此扩展出了外置的RAM，RAM又分为静态随机存储器和动态随机存储器，在这里我介绍动态随机存储器SDRAM在STM32上的配置。

一、SDRAM简介

SDRAM是动态随机存储器（Synchronous Dynamic Random-Access Memory）的简称，相比较SRAM，他的读写速率可能没有SRAM那么快，因为需要留时间给刷新，但是他的造价低，容量一般可以做的很大。本章节用的是基于野火的STM32F429-V1开发板。

二、SDRAM在STM32上的配置

SDRAM的使用需要用到FMC，即“可变存储控制器”，本章节以STM32F429IGT6为例（FMC在F4系列中，支持的型号仅仅只有“STM32F42xxx 和 STM32F43xxx”），且在STM32F4的中文草考手册中没有，反而在另外一个F4的参考手册中提及。、

本章节代码采用HAL库，要用FMC驱动SDRAM就得进行初始化。

初始化代码大概分为以下步骤：

1.初始化GPIO，开启时钟,并且复用为FMC

GPIO的初始化可以由CubeMX配置，因为引脚很多，这里配置BANK2。

static void SDRAM_GPIO_Init(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};/* Peripheral clock enable */__HAL_RCC_FMC_CLK_ENABLE();__HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE();__HAL_RCC_GPIOH_CLK_ENABLE();__HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();__HAL_RCC_GPIOG_CLK_ENABLE();__HAL_RCC_GPIOE_CLK_ENABLE();__HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();/* GPIO_InitStruct *//** FMC GPIO ConfigurationPF0   ------> FMC_A0PF1   ------> FMC_A1PF2   ------> FMC_A2PF3   ------> FMC_A3PF4   ------> FMC_A4PF5   ------> FMC_A5PC0   ------> FMC_SDNWEPF11   ------> FMC_SDNRASPF12   ------> FMC_A6PF13   ------> FMC_A7PF14   ------> FMC_A8PF15   ------> FMC_A9PG0   ------> FMC_A10PG1   ------> FMC_A11PE7   ------> FMC_D4PE8   ------> FMC_D5PE9   ------> FMC_D6PE10   ------> FMC_D7PE11   ------> FMC_D8PE12   ------> FMC_D9PE13   ------> FMC_D10PE14   ------> FMC_D11PE15   ------> FMC_D12PH6   ------> FMC_SDNE1PH7   ------> FMC_SDCKE1PD8   ------> FMC_D13PD9   ------> FMC_D14PD10   ------> FMC_D15PD14   ------> FMC_D0PD15   ------> FMC_D1PG4   ------> FMC_BA0PG5   ------> FMC_BA1PG8   ------> FMC_SDCLKPD0   ------> FMC_D2PD1   ------> FMC_D3PG15   ------> FMC_SDNCASPE0   ------> FMC_NBL0PE1   ------> FMC_NBL1*/GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1|GPIO_PIN_2|GPIO_PIN_3|GPIO_PIN_4|GPIO_PIN_5|GPIO_PIN_11|GPIO_PIN_12|GPIO_PIN_13|GPIO_PIN_14|GPIO_PIN_15;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF12_FMC;HAL_GPIO_Init(GPIOF, &GPIO_InitStruct);/* GPIO_InitStruct */GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF12_FMC;HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);/* GPIO_InitStruct */GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1|GPIO_PIN_4|GPIO_PIN_5|GPIO_PIN_8|GPIO_PIN_15;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF12_FMC;HAL_GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStruct);/* GPIO_InitStruct */GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_7|GPIO_PIN_8|GPIO_PIN_9|GPIO_PIN_10|GPIO_PIN_11|GPIO_PIN_12|GPIO_PIN_13|GPIO_PIN_14|GPIO_PIN_15|GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF12_FMC;HAL_GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStruct);/* GPIO_InitStruct */GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6|GPIO_PIN_7;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF12_FMC;HAL_GPIO_Init(GPIOH, &GPIO_InitStruct);/* GPIO_InitStruct */GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_8|GPIO_PIN_9|GPIO_PIN_10|GPIO_PIN_14|GPIO_PIN_15|GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF12_FMC;HAL_GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStruct);}

2.初始化SDRAM控制器

SDRAM控制器的相关参数可以在手册中找到：

    SDRAM_HandleTypeDef hsdram2;FMC_SDRAM_TimingTypeDef SdramTiming = {0};hsdram2.Instance = FMC_SDRAM_DEVICE;/* hsdram2.Init */hsdram2.Init.SDBank = FMC_SDRAM_BANK2;									// 初始化 BANK2hsdram2.Init.ColumnBitsNumber = FMC_SDRAM_COLUMN_BITS_NUM_8;			// 列地址位 8hsdram2.Init.RowBitsNumber = FMC_SDRAM_ROW_BITS_NUM_12;					//行地址位   12hsdram2.Init.MemoryDataWidth = FMC_SDRAM_MEM_BUS_WIDTH_16;				//数据宽度 16位hsdram2.Init.InternalBankNumber = FMC_SDRAM_INTERN_BANKS_NUM_4;			//SDRAM的BANK的数量 4hsdram2.Init.CASLatency = FMC_SDRAM_CAS_LATENCY_3;						//CAS延时 3 个周期hsdram2.Init.WriteProtection = FMC_SDRAM_WRITE_PROTECTION_DISABLE;		//失能写保护hsdram2.Init.SDClockPeriod = FMC_SDRAM_CLOCK_PERIOD_2;					//SDRAM时钟分频 2 分频 180/2 < 143hsdram2.Init.ReadBurst = FMC_SDRAM_RBURST_ENABLE;						//使能读突发hsdram2.Init.ReadPipeDelay = FMC_SDRAM_RPIPE_DELAY_0;					//管道延时 0/* SdramTiming */SdramTiming.LoadToActiveDelay = 2;											//退出自刷新延时 tXSRSdramTiming.SelfRefreshTime = 5;									//加载模式寄存器到激活 tMRDSdramTiming.ExitSelfRefreshDelay = 7;									//自刷新延时tRASSdramTiming.RowCycleDelay = 7;											//行循环延时 tRCSdramTiming.WriteRecoveryTime = 3;										//写恢复时间 tWRSdramTiming.RPDelay = 2;												//行预充电延时 tRPSdramTiming.RCDDelay = 2;												//行到列延时 tRCDHAL_SDRAM_Init(&hsdram2, &SdramTiming);//初始化SDRAM外设

此图的Row Address 代表行地址引脚，一共12个，Column Address代表列地址的引脚，一共8个他们是分时复用的，第一个参数页提示了这个SDRAM有四个bank，以及数据宽度。

图一显示的是不同芯片的最大时钟以及其他配置选项，429的始终是180MHz，而核心板的芯片是-7，因此最大频率不超过143（CAS为3，这里配置为3），因此配置：

hsdram2.Init.SDClockPeriod = FMC_SDRAM_CLOCK_PERIOD_2; //SDRAM时钟分频 2 分频 180/2 < 143

90MHz对应的时间大致为11ns

此外的其他配置，如写保护给失能，管道延时（跟在CAS延时后边）为0，并且使能突发读。

此外还需配置“7个时间”，用来配合SDRAM控制器和SDRAM的通信。

1.退出自刷新时间 tXSR

他在手册中定义如下（从左到右依次是-5 -6 -7）：

这里为不小于70ns，那就配置为7

SdramTiming.ExitSelfRefreshDelay = 7;

2.加载模式寄存器到激活时间 tMRD

这里为两个时钟周期，那么就为2

SdramTiming.LoadToActiveDelay = 2;

3.自刷新时间tRAS

这里为不小于42ns，就填为5

SdramTiming.SelfRefreshTime = 5;

4.行循环延时 tRC

这里最小为63ns，则配置为7

SdramTiming.RowCycleDelay = 7;

5.写恢复时间 tWR

这里最小为两个时钟，则配置为3（满足某个特定条件： tWR >= tRAS - tRCD）

SdramTiming.WriteRecoveryTime = 3;

6.行预充电延时 tRP

这里不低于15ns，则配置为2

SdramTiming.RPDelay = 2;

7.行到列延时 tRCD

这里不低于15ns，则配置为2

SdramTiming.RCDDelay = 2;

最后初始化SDRAM控制器

3.发送控制命令到SDRAM

发送命令由函数HAL_SDRAM_SendCommand完成

a.给 SDRAM 提供时钟

b.延时至少100us

c.给 SDRAM 的所有 BANK 预充电

d.插入8个自动刷新周期

e.配置加载模式寄存器

f.配置 SDRAM 自动刷新周期

发送命令代码如下：


static void SDRAM_Cmmand(void)
{FMC_SDRAM_CommandTypeDef FMC_SDRAM_CommandStruct = {0};//1 给 SDRAM 提供时钟FMC_SDRAM_CommandStruct.CommandMode = FMC_SDRAM_CMD_CLK_ENABLE;			//启用时钟FMC_SDRAM_CommandStruct.AutoRefreshNumber = 1;							//自动刷新数（无关命令，写默认值FMC_SDRAM_CommandStruct.CommandTarget = FMC_SDRAM_CMD_TARGET_BANK2;		//发送到BANK2FMC_SDRAM_CommandStruct.ModeRegisterDefinition = 0;						//加载模式寄存器值（无关命令，写默认值HAL_SDRAM_SendCommand(&hsdram2,&FMC_SDRAM_CommandStruct,TIME_OUT);
//2 延时至少100usHAL_Delay(1);//3 给 SDRAM 的所有 BANK 预充电FMC_SDRAM_CommandStruct.CommandMode = FMC_SDRAM_CMD_PALL;				//预充电FMC_SDRAM_CommandStruct.AutoRefreshNumber = 1;							//自动刷新数（无关命令，写默认值FMC_SDRAM_CommandStruct.CommandTarget = FMC_SDRAM_CMD_TARGET_BANK2;		//发送到BANK2FMC_SDRAM_CommandStruct.ModeRegisterDefinition = 0;						//加载模式寄存器值（无关命令，写默认值HAL_SDRAM_SendCommand(&hsdram2,&FMC_SDRAM_CommandStruct,TIME_OUT);//4 插入8个自动刷新周期FMC_SDRAM_CommandStruct.CommandMode = FMC_SDRAM_CMD_AUTOREFRESH_MODE;	//自动刷新FMC_SDRAM_CommandStruct.AutoRefreshNumber = 4;							//自动刷新数FMC_SDRAM_CommandStruct.CommandTarget = FMC_SDRAM_CMD_TARGET_BANK2;		//发送到BANK2FMC_SDRAM_CommandStruct.ModeRegisterDefinition = 0;						//加载模式寄存器值（无关命令，写默认值HAL_SDRAM_SendCommand(&hsdram2,&FMC_SDRAM_CommandStruct,TIME_OUT);
//5 配置加载模式寄存器uint32_t ModeRegister = SDRAM_MODEREG_BURST_LENGTH_4 \| SDRAM_MODEREG_BURST_TYPE_SEQUENTIAL\| SDRAM_MODEREG_CAS_LATENCY_3\| SDRAM_MODEREG_OPERATING_MODE_STANDARD\| SDRAM_MODEREG_WRITEBURST_MODE_SINGLE;FMC_SDRAM_CommandStruct.CommandMode = FMC_SDRAM_CMD_LOAD_MODE;			//加载模式寄存器FMC_SDRAM_CommandStruct.AutoRefreshNumber = 1;							//自动刷新数（无关命令，写默认值FMC_SDRAM_CommandStruct.CommandTarget = FMC_SDRAM_CMD_TARGET_BANK2;		//发送到BANK2FMC_SDRAM_CommandStruct.ModeRegisterDefinition = ModeRegister;			//加载模式寄存器值HAL_SDRAM_SendCommand(&hsdram2,&FMC_SDRAM_CommandStruct,TIME_OUT);//6 配置 SDRAM 自动刷新周期  HAL_SDRAM_ProgramRefreshRate(&hsdram2,1386); 							//(64x10^-6 s /4096) x 90x10^6Hz - 20}

其中，初始阿虎过程可以在手册中找到：

翻译大致如下（可能不准确，以英文原文为主）

初始化（Initialization）

SDRAM 必须按照预定义的方式上电并初始化。

当电源同时加到 VDD 和 VDDQ上，并且时钟稳定（DQM 为高电平，CKE 为高电平）之后，64Mb 的 SDRAM 才会开始初始化。

在发送除 COMMAND INHIBIT 或 NOP 命令之外的任何命令之前，需要等待 100 微秒。在这 100 微秒期间，可以持续发送 COMMAND INHIBIT 或 NOP 命令，并应至少持续到 100 微秒结束。

在至少发送一次 COMMAND INHIBIT 或 NOP 命令之后，一旦 100 微秒延时完成，就应发送 PRECHARGE 命令，所有的 bank 必须被预充电（Precharged）。这将使所有 bank 进入空闲状态。

随后，至少执行两次自动刷新（AUTO REFRESH）命令。自动刷新命令完成之后，SDRAM 就可以准备好进行模式寄存器（Mode Register）的设置。

在执行任何操作命令之前，应先加载模式寄存器，因为上电后 SDRAM 处于未知状态。执行完 Load Mode Register 命令之后，至少要执行一次 NOP 命令，然后才可以执行其他命令。

总结起来和以上配置并无二异，不过最后还得配置 SDRAM 自动刷新周期，他的计算公式如下图（手册中）：

由SDRAM手册可知：

行数为4096行，SDRAM的时钟已经被设置为90MHz，刷新4096次需要64ms

那么最后的结果就是：

(64x10^-6 s /4096) x 90x10^6Hz - 20 = 1386

整个初始化代码就是：

void SDRAM_Init(void)
{SDRAM_GPIO_Init();//初始化GPIOFMC_SDRAM_TimingTypeDef SdramTiming = {0};hsdram2.Instance = FMC_SDRAM_DEVICE;/* hsdram2.Init */hsdram2.Init.SDBank = FMC_SDRAM_BANK2;									// 初始化 BANK2hsdram2.Init.ColumnBitsNumber = FMC_SDRAM_COLUMN_BITS_NUM_8;			// 列地址位 8hsdram2.Init.RowBitsNumber = FMC_SDRAM_ROW_BITS_NUM_12;					//行地址位   12hsdram2.Init.MemoryDataWidth = FMC_SDRAM_MEM_BUS_WIDTH_16;				//数据宽度 16位hsdram2.Init.InternalBankNumber = FMC_SDRAM_INTERN_BANKS_NUM_4;			//SDRAM的BANK的数量 4hsdram2.Init.CASLatency = FMC_SDRAM_CAS_LATENCY_3;						//CAS延时 3 个周期hsdram2.Init.WriteProtection = FMC_SDRAM_WRITE_PROTECTION_DISABLE;		//失能写保护hsdram2.Init.SDClockPeriod = FMC_SDRAM_CLOCK_PERIOD_2;					//SDRAM时钟分频 2 分频 180/2 < 133hsdram2.Init.ReadBurst = FMC_SDRAM_RBURST_ENABLE;						//使能读突发hsdram2.Init.ReadPipeDelay = FMC_SDRAM_RPIPE_DELAY_0;					//管道延时 0/* SdramTiming */SdramTiming.LoadToActiveDelay = 2;										//加载模式寄存器到激活 tMRDSdramTiming.ExitSelfRefreshDelay = 7;									//退出自刷新延时 tXSRSdramTiming.SelfRefreshTime = 5;										//自刷新延时tRASSdramTiming.RowCycleDelay = 7;											//行循环延时 tRCSdramTiming.WriteRecoveryTime = 3;										//写恢复时间 tWRSdramTiming.RPDelay = 2;												//行预充电延时 tRPSdramTiming.RCDDelay = 2;												//行到列延时 tRCDHAL_SDRAM_Init(&hsdram2, &SdramTiming);//初始化SDRAM外设SDRAM_Cmmand();//初始化SDRAM
}

在主函数调用，即可通过指针访问SDRAM，由于这里是用的BANK2，因此它的起始地址是0xD0000000 。

在主函数中将一张150kb的图片复制到SDRAM，然后读出来显示在屏幕中：

int main()
{HAL_Init();SystemClock_Config();UsartInit(115200);SDRAM_Init();SPI_LCD_Init();LCD_SetColor(COLOR_LIME);LCD_SetBackColor(COLOR_BLACK);LCD_Clear();LCD_SetDirection(Direction_H_Flip);LCD_SetTextFont(&CH_Font32);uint32_t* add1 = (uint32_t*)0xD0000000;memcpy(add1,gImage_cat,153600);LCD_DrawColorImage(0,0,320,240,(uint8_t*)add1);while(1){}
}

最后的结果：