单片机系统中扩展SDRAM的几个配置步骤

你之前在嵌入式系统设计中为大家介绍了扩展SRAM的方法，今天我将分享如何扩展SDRAM。

1研究背景

当我们在使用MCU的嵌入式系统设计中，如果程序或数据的内存占用过大无法容纳在片上闪存或SRAM中，我们通常会考虑使用SDRAM。在阅读了文章《SRAM、DRAM、SDRAM的区别》之后，我们能够更好地理解它们之间的区别。

然而，有些朋友可能会问，为什么我的MCU不支持SDRAM呢？这个问题比较复杂，不同的MCU芯片可能具有不同的硬件设计和资源限制，因此并不是所有的MCU都支持SDRAM扩展。需要根据具体的芯片规格和参考手册来确定MCU是否支持SDRAM，以及如何正确地进行扩展。如果你的MCU不支持SDRAM，可能需要考虑其他的内存扩展方案。

SDRAM是同步动态随机存取存储器的缩写，在微控制器应用中，微控制器通过使用外部存储控制器(EMC)操作访问SDRAM ，SDRAM时钟频率通常为100MHz或133MHz。

外部存储控制器通常不支持DDR SDRAM, 数据只是单边沿采样，即并行数据总线可以接受一个命令并在每个时钟周期传输一个数据字。

在SDRAM中执行程序是使用SDRAM的一种典型用法, 这里就介绍一下SDRAM中执行程序的方法和SDRAM执行程序的性能基准。

2SDRAM初始化

SDRAM必须在使用前进行配置，SDRAM初始化分为6个步骤。

1. 配置EMC寄存器的SDRAM时钟频率、字节顺序和时序参数。
   SDRAM的时序比较复杂，用户需要通过查阅相关SDRAM芯片的手册获得时序参数(如刷新周期、预充电命令周期、自刷新退出时间、写恢复时间等等)。
2. 发送NOP命令
3. 发送预充电命令
4. 发送两次自动刷新命令
5. 设置SDRAM模式
6. 发送正常运行命令

系统启动时，SDRAM尚未初始化，理论上，程序在系统启动后的任何时刻都可以进行SDRAM初始化。然而，由于SDRAM初始化过程比较复杂，使用的系统资源较多，SDRAM初始化必须在所需的系统资源初始化完成后再进行。

具体来讲，开发者在芯片刚刚启动时(如Reset_Handler中)初始化SDRAM需要留心以下细节：

1. 由于SDRAM初始化函数使用系统堆栈或全局变量，开发者必须确保系统堆栈或全局变量所在的物理内存上电及时钟使能。
2. 在程序跳转到主程序启动之前，全局变量未清零或初始化，如果在主函数之前执行SDRAM初始化，开发者必须手动初始化变量。

举个例子，在LPC5460x中，开发者需要在SystemInit函数中初始化SDRAM，该函数(SystemInit)由Reset_Handler调用。在调用系统初始化之前，要通过设置AHBCLKCTRLSET0寄存器将SRAM时钟使能。

Reset_Handler   PROC
EXPORT  Reset_Handler               [WEAK]
IMPORT  SystemInit
IMPORT  __main
; clock control SRAM1/SRAM2/SRAM3 for stack
LDR     r0, = 0x40000220 ; AHBCLKCTRLSET0
MOV     r1, #0x38
STR     r1, [r0]
LDR     r0, =SystemInit
BLX     r0
LDR     r0, =__main
BX      r0
ENDP

3SDRAM存储器布局

当使用SDRAM时，外部存储控制器(EMC)分配SDRAM一定的地址空间。开发者可以使用链接描述文件将代码或数据分配到SDRAM中。值得注意的是，链接器脚本编程在不同IDE之间是不同的。

以LPC5460x系列微控制器为例，SDRAM支持4个片选区，每个片选区最大支持256MB空间。

当SDRAM的硬件连接使用SDRAM片选0的情况下，在KEIL平台下，将加载在SPI FLASH的Coremark基准测试程序拷贝到SDRAM中执行需要以下几步。(coremark基准测试程序包括core_list_join.c，core_matrix.c，core_state.c及core_util.c)。

1. 定义SDRAM区域，从0xA0000000开始，大小为0x80000。定义SPI FLASH区域，大小为0x80000（SPI FLASH存储器的起始地址为0x10000000）。
2. 在C源码中使用“SDRAM_Data” 和 “SDRAM_Function”属性，标记放在SDRAM区域中的数据或程序。(SDRAM_Data和SDRAM_Function只是文本名字)。
3. 也可以将整个目标文件的数据和程序段配置到SDRAM

Reset_Handler   PROC
EXPORT  Reset_Handler               [WEAK]
IMPORT  SystemInit
IMPORT  __main
; clock control SRAM1/SRAM2/SRAM3 for stack
LDR     r0, = 0x40000220 ; AHBCLKCTRLSET0
MOV     r1, #0x38
STR     r1, [r0]
LDR     r0, =SystemInit
BLX     r0
LDR     r0, =__main
BX      r0
ENDP

4配置MPU

在SDRAM中运行程序，开发者可能需要配置ARM内核内存保护单元(MPU)。

内存保护单元(MPU)是一个可编程单元，用于定义内存访问权限。当MPU没有使能时，内存地址空间具有默认的访问权限。

如ARM Cortex™-M4器件通用用户指南中所述，当程序执行SDRAM中的代码且SDRAM内存影射地址的默认属性为禁止执行时, 内核就会产生HARDFAULT异常，且指令访问冲突标志SCB->CFSR为 1，该异常表示处理器尝试从不允许执行的位置获取指令。

因此，当SDRAM被影射到默认不可执行的地址空间时（如在LPC5460x中，SDRAM影射到0xA0000000起始的地址），开发者必须配置并使能MPU才能在SDRAM中执行代码。

如下例中，代码配置并使能MPU，允许从0xA0000000到0xA0100000的内存区域是可执行的。

MPU->RNR = 0;                    //Region number 0
MPU->RBAR = 0xA0000000; //Region base address
/* Full Access | TEX: 000 | S: 0 | C: 0 | B:0 (No cacheable, no shareable)| 1M SIZE | ENABLE */
MPU->RASR = (0 enable
MPU->CTRL = MPU_CTRL_ENABLE_Msk | MPU_CTRL_PRIVDEFENA_Msk;

5SDRAM性能基准

最后，作者在LPC5460x经过程序运行CoreMark性能基准测试，总结了一点点经验，分享给大家

1. SDRAM(16位带宽)中的代码执行效率仅为在内部SRAM中执行效率性能40％，大约是内部FLASH中运行代码性能的50％；
2. 代码在SDRAM中运行时，较高的CPU频率（CPU没有Cache）不能改善执行效率，这时SDRAM带宽成为系统性能的瓶颈。

基于这样的测试结果，建议大家在要求较高性能时，把程序代码放在内部SRAM执行，而用片外大容量的SDRAM存放海量的数据。

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