EMMC 总线 emmc总线与控制器工作原理

目录

• 简介
• 外部设备地址映射

• NOR和PSRAM的地址映射
• NAND/PC Card地址映射
• SDRAM地址映射

• NOR/PSRAM控制器

• 接口描述
• 控制时序

• 模式1
• 模式2

• NAND Flash或PC Card控制器

• 接口描述
• 控制时序

• SDRAM控制器

• 接口描述
• 控制时序
• 突发读操作
• 突发写操作
• 读写FIFO
• 跨边界读写操作
• 低功耗模式

• 自刷新模式
• 掉电模式

• 例程

• SDRAM读写例程

• 初始化GPIO
• 初始化EXMC
• 初始化SDRAM
• SDRAM写
• SDRAM读

简介

外部存储器控制器EXMC，用来访问各种片外存储器，通过配置寄存器，EXMC可以把AMBA
协议转换为专用的片外存储器通信协议，包括SRAM，ROM，NOR Flash，NAND Flash，PC Card和SDRAM。

外部设备地址映射

EXMC的工作原理其实就是把外部储存器的地址映射到内部的特定地址上，用户想访问外部的存储器，我们只需要访问对应的内部地址，EXMC就会自动地帮用户寻址到外部存储器的对应地址。在GD32F4中，从0x60000000-0xDFFFFFFF之间的地址空间是留给EXMC做外部存储器地址映射的，这些地址空间又会被分成4个Bank，给不同种类的外部存储器做映射，如下图所示。

每个bank为256MB，bank0给NOR Flash和PSRAM做映射，bank1和bank2给NAND Flash做映射，bank3给PC Card做映射，剩下的地址给SDRAM做映射。

NOR和PSRAM的地址映射

NOR和PSRAM的bank0区域又会被分成4等份，称为Region，每个region有64MB，每份地址空间又会用作不同外部存储器的映射，如下图所示。

唯一的区别就是，只有region0支持SQPI-PSRAM，全部的region都支持NOR Flash和PSRAM。

NAND/PC Card地址映射

Bank1和Bank2用来访问NAND Flash，Bank3用来访问PC Card。每个Bank地址映射被分为多个存储空间，如下图所示。

对于NAND Flash，通用和属性空间又可以细划分为3个区域，如下图所示。

SDRAM地址映射

SDRAM的地址映射就比较简单，4个bank剩下的内存空间被分成2份内存空间——SDRAM device0和SDRAM device1，每个device就对应一个SDRAM存储器。
虽然说每个device最大寻址256MB，但这是在SDRAM是32bit数据宽度的前提下，不同的数据位宽最大的寻址空间也不同，可以参考下面这个表。

存储器数据宽度	最大储存容量
8-bit	64MB
16-bit	128MB
32-bit	256MB

NOR/PSRAM控制器

EXMC模块的NOR/PSRAM控制器控制Bank0，它可以支持NOR Flash、PSRAM、SRAM、ROM和CRAM外部存储器。

接口描述

NOR Flash接口信号描述：

PSRAM非复用接口信号描述：

SQPI-PSRAM接口信号描述：

控制时序

NOR/PSRAM控制器提供了丰富的控制时序，以满足不同的需求，如下表所示。

拓展模式为1指的是在该时序模式下，读时序和写时序可以设置不同的参数。
DSET为数据建立时间；ASET为地址建立时间；AHLD为地址保持时间；BUSLAT为总线延迟；DLAT为数据延迟；CKDIV为同步时钟分频比
如果参数前有“W”，说明这是写时序的参数

下面讲一下比较常用的模式1和2。

模式1

模式1用于SRAM、PSRAM和CRAM。
模式1读时序：

模式1写时序：

除开数据和写使能部分，其他的操作都是一样的，发送地址、使能芯片、选择字节、使能输出。
对于读操作，写使能一直为高，在数据建立时间内EXMC会接收到存储器发送的数据。
对于写操作，在地址建立时间后，写使能应拉低，并开始向存储器写入数据；数据写入完成后拉高写使能，并在1个HCLK周期后结束本次写操作。

模式2

模式2是用于NOR Flash。
模式2读时序：

模式2写时序：

模式2的时序和上面讲到的模式1时序区别也不大，主要在于地址有效线的控制。
在模式2中，每一次读写数据都需要将地址有效线拉高，表示此时地址无效。

NAND Flash或PC Card控制器

EXMC外设支持8位、16位的NAND FLASH以及16位PC卡；对于NAND FLASH，EXMC还提供ECC计算模块。

接口描述

8 位/16 位NAND接口信号描述：

16位PC Card接口信号描述：

控制时序

该控制器提供了以下可编程参数来控制存储器：

参数	功能描述	最小值(单位:HCLK)	最大值(单位:HCLK)
存储器数据总线高阻时间(HIZ)	启动写操作之后保持数据总线为高阻态的时间	1	255
存储器保持时间(HLD)	在发送命令结束后保持地址的时钟(HCLK)周期数目，写操作时也是数据的保持时间	1	254
存储器等待时间(WAIT)	发出命令的最短持续时间时钟(HCLK)周期数目	2	255
存储器建立时间(SET)	发出命令之前建立地址的(HCLK)时钟周期数目	1	256

NAND Flash的通用空间操作时序如下图所示：

NAND Flash的简要操作步骤如下：

1. 配置NAND Flash相关寄存器；
2. 往通用空间写入NAND Flash读数据命令（在EXMC_NCE和EXMC_NWE有效时，EXMC_CLE（A[16]）变为有效电平（高））；
3. 往通用空间写入读操作的起始地址（在EXMC_NCE和EXMC_NWE有效期间，EXMC_ALE（A[17]）变为有效电平（高））；
4. 等待 NAND 就绪信号；
5. 从通用空间的数据区逐字节的读出数据；
6. 不写入新的命令和地址，可以自动读出 NAND 下一页数据；或转到3写入新的地址进
   行下一页的读取；或转到2写入新的命令和地址。

SDRAM控制器

该控制器支持8 位，16 位，32 位数据带宽；AHB字、半字、字节访问；写使能和字节选择输出；自动进行行和bank边界管理；多个bank的乒乓访问；具有16x35位深度的写数据FIFO；具有16x31位深度的写地址FIFO；6x32位深度的可缓存的读数据FIFO；6x14位深度的可缓存读地址FIFO；可调整的读数据采样时钟；自刷新模式。

接口描述

控制时序

SDRAM的控制相对来说复杂，总体的步骤可分为下面几步：

1. 初始化SDRAM寄存器，包括设置控制参数、时序参数、预充电、自刷新模式、自刷新频率。

预充电：若SDRAM控制器在存取时需要进行行切换，那么首先需要将该行地址对应块的读写放大器去使能，使其进入空闲状态，为下一行的读写操作进行准备。这个过程叫做预充电，或者行去使能。

2. 发送行使能命令。该命令将行地址所在的块使能，完整的行地址由2比特的块地址EXMC_A[15:14]和13比特的行地址EXMC_A[12:0]组成。
3. 发送列地址并进行读写访问。为了连续访问，控制器通常会保存之前操作的行号。若下一次的读取位置是在相同的行号或是已经使能的其他行号，那么读操作会未中断的执行。

突发读操作

突发读操作是对一个未被使能的行突发读操作，在读之前发送了行使能指令。

由上图可以看到，当发送了列地址后，数据并没有被立即读取，而是延迟了一定的HCLK周期后再进行采样。
这是因为当HCLK采样数据不准的时候，用户可以使用根据HCLK微调的内部可调时钟。当使能这个时钟的时候，读取的数据在进入AHB总线之前会先存储在异步FIFO中。2-3个HCLK延迟会被添加到读命令过程中。

RCD：行到列延迟。它代表了行使能到SDRAM读写间的最小等待时间。

突发写操作

突发写操作是对一个未被使能的行突发写操作，在写之前发送了行使能指令。

读写FIFO

在进行读写操作时会充分地利用SDRAM控制器中的FIFO；FIFO有两组，一组给读操作使用，一组给写操作使用；每组中有2个FIFO，一个储存地址，一个储存数据。数据FIFO能够最多缓存6个32位的数据字，同时地址FIFO携带6个14位的地址标签。
当在AHB总线上出现一个读命令时，读写命令预处理模块将首先检查这个地址是否和某个地址
标签匹配，如果匹配，则直接从FIFO中读取数据。否则，向存储器发一个新的读命令，FIFO会
被新的数据更新。如果FIFO满了，旧的数据会被丢失。
当一个写访问或者预充电命令出现时，读FIFO缓冲区中的数据就会被清除掉，用以填充新的数
据。

跨边界读写操作

跨边界读写操作就是一次读写中会操作不同的行或bank的读写操作。
它们的时序其实就是加上了行预充电的延迟而已，如下图所示。

跨边界读操作：

跨边界写操作：

低功耗模式

对于SDRAM来说，它的性质和我们平常用的电脑内存是差不多的，是一种易失性的存储器。为了保持SDRAM中的数据，我们需要不断地刷新SDRAM；因为SDRAM的储存单元是由电容所组成的，若长时间不对电容充电是会损失数据的。
低功耗模式就是设置SDRAM的刷新策略；EXMC对SDRAM提供了2种低功耗模式——自刷新模式和掉电模式。

自刷新模式

在自刷新模式下，EXMC不提供时钟信号，刷新完全由SDRAM内部提供。
下面演示了如何进入和退出自刷新模式：

当发送ARef命令后，EXMC关闭时钟输入，关闭时钟使能，命令保持在NOP操作，SDRAM进入自刷新模式；退出该模式也是通过发送ARef命令，使能时钟来实现。

掉电模式

在掉电模式中，刷新则由SDRAM控制器提供。
下面演示了如何进入和退出掉电模式：

进入掉电模式，只需要关闭时钟即可；而退出该模式除了打开时钟外，还需要发送Active命令。

例程

SDRAM读写例程

在本例程中，我使用的是立创梁山派开发板，这个开发板搭载GD32F470ZGT6主控，自带一颗华邦（Winbond）型号为W9825G6KH-6L的SDRAM芯片，储存容量高达256MB。

因为SDRAM的驱动动则上百行，下面就以每一步的要点进行讲解。

初始化GPIO

GPIO的初始化就不放代码了，大家应该都会写的。GOIO的初始化包括13根地址线（EXMC_A[0-12]）、16根数据线（EXMC_D[0-15]）、写数据标记线（EXMC_NBL[0-1]）、时钟使能信号线（EXMC_CKE0）、Bank片选线（EXMC_BA[0-1]）、时钟信号线（EXMC_CLK）、列地址选通线（EXMC_NCAS）、行地址选通线（EXMC_NRAS）、读使能线（EXMC_NOE）、写使能线（EXMC_NWE）
所有的GPIO口全部设置成复用推挽上拉模式，并且全部GPIO口都要将复用口映射到GPIO_AF_12中。

SDRAM涉及的GPIO接口较多，建议在数据手册中查找对应的GPIO口；在初始化RCU的时候也要注意初始化SDRAM用到的所有GPIO时钟。

初始化EXMC

exmc_sdram_parameter_struct sdram_init_struct;
exmc_sdram_timing_parameter_struct sdram_timing_init_struct;

/* enable EXMC clock */
rcu_periph_clock_enable(RCU_EXMC);

/* config SDRAM timing registers */
/* LMRD: 2 clock cycles */
sdram_timing_init_struct.load_mode_register_delay = 2;
/* XSRD: 9 / 120MHz = 75ns */
sdram_timing_init_struct.exit_selfrefresh_delay = 9;
/* RASD: 5 / 120MHz = 45ns */
sdram_timing_init_struct.row_address_select_delay = 5;
/* ARFD: 8 / 120MHz = 74ns */
sdram_timing_init_struct.auto_refresh_delay = 8;
/* WRD:  min = 2 Clock cycles */
sdram_timing_init_struct.write_recovery_delay = 3;
/* RPD:  3 / 120MHz = 27ns */
sdram_timing_init_struct.row_precharge_delay = 3;
/* RCD:  3 / 120MHz = 27ns */
sdram_timing_init_struct.row_to_column_delay = 3;

/* config SDRAM control registers */
sdram_init_struct.sdram_device = EXMC_SDRAM_DEVICEx;
sdram_init_struct.column_address_width = EXMC_SDRAM_COW_ADDRESS_9;  // 9bit of column address
sdram_init_struct.row_address_width = EXMC_SDRAM_ROW_ADDRESS_13;  // 13bit of row address
sdram_init_struct.data_width = EXMC_SDRAM_DATABUS_WIDTH_16B;  // 16bit of data width
sdram_init_struct.internal_bank_number = EXMC_SDRAM_4_INTER_BANK;  // 4 internal bank
sdram_init_struct.cas_latency = EXMC_CAS_LATENCY_3_SDCLK;  // 3 sdram clock of CAS latency
sdram_init_struct.write_protection = DISABLE;
sdram_init_struct.sdclock_config = EXMC_SDCLK_PERIODS_2_HCLK;  // SDCLK = HCLK / 2 = 240MHz / 2 = 120MHz
sdram_init_struct.burst_read_switch = ENABLE;
sdram_init_struct.pipeline_read_delay = EXMC_PIPELINE_DELAY_2_HCLK;
sdram_init_struct.timing = &sdram_timing_init_struct;

exmc_sdram_init(&sdram_init_struct);

这一部分别用到两个结构体——exmc_sdram_parameter_struct和exmc_sdram_timing_parameter_struct，一个是用于初始化SDRAM的控制寄存器，一个是用于初始化SDRAM的时序寄存器。

这里先设置SDRAM的时序寄存器，结构体的成员名字其实都写得很清楚是哪一部分的时序，但为了照顾部分英语不好的同学，我简单翻译一下。
上面时序初始化结构体成员从上到下为模式寄存器加载延迟、自刷新模式退出延迟、行地址选通延迟、自刷新延迟、写恢复延迟、行预充电延迟、行到列延迟。
这些时序该如何填写需要参考对应SDRAM芯片数据手册的说明，但有时候不同厂商对同一种时序的命名是不同的，所以如果实在找不到的话可以参考兆易创新官方的例程，或者把数值设得大一点，因为一般来说控制得慢一点是没有问题的。

接着设置SDRAM的控制寄存器，从上到下到下的设置为SDRAM设备片选，这个取决于你想把SDRAM挂载在哪里，一般选SDRAM_DEVICE0就行了；列地址宽度，选择9位；行地址宽度，选择13位；内部bank数目，4个；CAS延迟，2个或3个SDCLK周期都行，不同的选择，SDRAM的最高工作频率会不同，这里选择3个周期，对应最高工作频率为166MHz；

下面是我使用的这颗SDRAM的CAS延迟与频率参考表：

可以看到如果CAS延迟选3个SDCLK周期，那么SDRAM能最高工作在166MHz的速度下，如果选择2个SDCLK周期就只能最高工作在133MHz速度下。

写保护，不使能；时钟频率，选择HCLK二分频，这个频率十分重要，上面时序的计算就要用到这个频率，而且这个频率不能高于SDRAM的最高工作频率；突发读切换，使能；管道读延迟，2个HCLK周期；时序，填入我们设置好的时序初始化结构体。

初始化SDRAM

单片机的外设初始化完成后，我们还要通过发送命令初始化SDRAM。这里要用到exmc_sdram_command_parameter_struct这个结构体。

exmc_sdram_command_parameter_struct sdram_command_init_struct;

/* configure CKE high command */
sdram_command_init_struct.command = EXMC_SDRAM_CLOCK_ENABLE;
sdram_command_init_struct.bank_select = EXMC_SDRAM_DEVICEx_SELECT;
sdram_command_init_struct.auto_refresh_number = EXMC_SDRAM_AUTO_REFLESH_2_SDCLK;
sdram_command_init_struct.mode_register_content = 0;
/* wait until the SDRAM controller is ready */
timeout = SDRAM_TIMEOUT;
while((exmc_flag_get(EXMC_SDRAM_DEVICEx, EXMC_SDRAM_FLAG_NREADY) != RESET) && (timeout > 0)) {
    timeout--;
}
/* send the command */
exmc_sdram_command_config(&sdram_command_init_struct);
delay_1ms(10);

/* configure precharge all command */
sdram_command_init_struct.command = EXMC_SDRAM_PRECHARGE_ALL;
sdram_command_init_struct.bank_select = EXMC_SDRAM_DEVICEx_SELECT;
sdram_command_init_struct.auto_refresh_number = EXMC_SDRAM_AUTO_REFLESH_2_SDCLK;
sdram_command_init_struct.mode_register_content = 0;
/* wait until the SDRAM controller is ready */
timeout = SDRAM_TIMEOUT;
while((exmc_flag_get(EXMC_SDRAM_DEVICEx, EXMC_SDRAM_FLAG_NREADY) != RESET) && (timeout > 0)) {
    timeout--;
}
/* send the command */
exmc_sdram_command_config(&sdram_command_init_struct);

/* configure Auto-Refresh command */
sdram_command_init_struct.command = EXMC_SDRAM_AUTO_REFRESH;
sdram_command_init_struct.bank_select = EXMC_SDRAM_DEVICEx_SELECT;
sdram_command_init_struct.auto_refresh_number = EXMC_SDRAM_AUTO_REFLESH_9_SDCLK;
sdram_command_init_struct.mode_register_content = 0;
/* wait until the SDRAM controller is ready */
timeout = SDRAM_TIMEOUT;
while((exmc_flag_get(EXMC_SDRAM_DEVICEx, EXMC_SDRAM_FLAG_NREADY) != RESET) && (timeout > 0)) {
    timeout--;
}
/* send the command */
exmc_sdram_command_config(&sdram_command_init_struct);

/* configure load mode register command */
/* program mode register */
uint32_t command_content = (uint32_t)SDRAM_MODEREG_BURST_LENGTH_1   |
                  SDRAM_MODEREG_BURST_TYPE_SEQUENTIAL               |
                  SDRAM_MODEREG_CAS_LATENCY_3                       |
                  SDRAM_MODEREG_WRITEBURST_READBURST;

sdram_command_init_struct.command = EXMC_SDRAM_LOAD_MODE_REGISTER;
sdram_command_init_struct.bank_select = EXMC_SDRAM_DEVICEx_SELECT;
sdram_command_init_struct.auto_refresh_number = EXMC_SDRAM_AUTO_REFLESH_2_SDCLK;
sdram_command_init_struct.mode_register_content = command_content;

/* wait until the SDRAM controller is ready */
timeout = SDRAM_TIMEOUT;
while((exmc_flag_get(EXMC_SDRAM_DEVICEx, EXMC_SDRAM_FLAG_NREADY) != RESET) && (timeout > 0)) {
    timeout--;
}
/* send the command */
exmc_sdram_command_config(&sdram_command_init_struct);

/* step 8 : set the auto-refresh rate counter--------------------------------*/
/* 64ms, 8192-cycle refresh, 64ms/8192=7.81us */
/* SDCLK_Freq = SYS_Freq/2 */
/* (7.81 us * SDCLK_Freq) - 20 */
exmc_sdram_refresh_count_set(761);

/* wait until the SDRAM controller is ready */
timeout = SDRAM_TIMEOUT;
while((exmc_flag_get(EXMC_SDRAM_DEVICEx, EXMC_SDRAM_FLAG_NREADY) != RESET) && (timeout > 0)) {
    timeout--;
}

第一步，发送SDRAM时钟使能命令；第二步，预充电所有行；第三步，使能自刷新；第四步，设置模式加载寄存器，模式加载寄存器的内容每个SDRAM芯片都不尽相同，我这颗芯片的模式加载寄存器如下图。

第1-3位设置的是突发读写的长度，可以选择1位、2位、4位、8位和整页；第4位设置的是寻址模式，可以选择顺序模式和插入模式；第5-7位设置的是CAS延迟，可以选择2个或3个SDCLK周期；第10位设置的是单独写模式，可以设置突发读写和突发读单独写。

我的设置是突发读写长度为1位，寻址模式为顺序模式，CAS延迟和之前初始化结构体一样为3个SDCLK周期，单独写模式为突发读和写。

第五步，设置自刷新计数寄存器值，GD官方的例程中给出了这个值的计算公式，但是看了半天也不知道是怎么计算的，所有如果有大神看懂了，欢迎在评论区留言。

至此，SDRAM就完全初始化好了，可以开始读写数据了。

SDRAM写

void SDRAM_WriteBuffer(uint8_t *buf, uint32_t writeaddr, uint32_t num)
{
    /* while there is data to  */
    for(uint32_t i = 0; i < num; ++i)
    {
        /* read a byte from the memory */
        *(uint8_t *)(SDRAM_DEVICE0_ADDR + writeaddr) = buf[i];
        /* increment the address */
        ++writeaddr;
    }
}

因为EXMC帮我们完成了两个存储器地址之间的映射和通行工作，所以我们读写SDRAM跟操作单片机内部的内存一样简单。
向SDRAM写一串数据，只需要将SDRAM设备的基地址加上地址偏移即可得到写入的地址，解指针后为其赋值即可将数据存入SDRAM。

SDRAM设备0的基地址为0xC0000000
SDRAM设备1的基地址为0xD0000000

SDRAM读

void SDRAM_ReadBuffer(uint8_t *buf, uint32_t readaddr, uint32_t num)
{
    /* while there is data to read */
    for(uint32_t i = 0; i < num; ++i)
    {
        /* read a byte from the memory */
        buf[i] = *(uint8_t *)(SDRAM_DEVICE0_ADDR + readaddr);
        /* increment the address */
        ++readaddr;
    }
}

SDRAM的读跟写差不多，也是得到目标地址，解指针后将值赋给数组或变量，即可实现SDRAM的读。

下面SDRAM读写的串口输出结果