개발 환경

대상	버전
OS	Windows 10 24H2(Desktop), MacOS Sequoia 15.5(24F74)(MacBook M2 Air)
STM32CubeMX	6.18.1
STM32CubeProg	2.23.0
보드	FK743M2-IIT6
펌웨어	V24J47M34

참고한 자료

MCU 데이터 시트

rm0433-stm32h742-stm32h743753-and-stm32h750-value-line-advanced-armbased-32bit-mcus-stmicroelectronics.pdf
SDRAM 데이터 시트

42-45S83200J-16160J.pdf
개발 보드 핀아웃

STM32H743_FANKE/FK743M2-IIT6(排针版)原理图.pdf at main · nr-electronics/STM32H743_FANKE

SDRAM

동기식(Synchronous) DRAM(이하 램)이다. 램도 종류가 여러 개 있는데 그중에서도 동기 방식으로 동작하는 램이다.

SDRAM이란 무엇인가? | CORSAIR

램의 구조는 다음과 같다.

하나의 램은 사진과 같이 여러 개의 Bank로 나뉘어져 있다. 각 뱅크에는 Cell들이 있는데, 이 Cell들에 데이터를 쓰거나 읽을 수 있다. Cell에 접근하려면 주소가 필요한데, 행 번호와 열 번호를 조합한 주소를 사용한다.

램의 동작 방식

행 번호와 열 번호를 통해 Cell에 접근하게 되면 램 내부에서 일어나는 동작 방식은 다음과 같다.

행 번호에 위치한 모든 Cell을 ACTIVATE한다. 이 명령은 해당 행에 있는 모든 데이터를 Sense Amplifier(또는 Row Buffer)로 복사한다.
복사한 행의 데이터들중 열 번호에 위치한 데이터를 읽는다.
데이터를 읽었으므로 다른 행을 읽기 위해서 현재 행을 PRECHARGE한다.
DRAM 구조 상 방전을 방지하기 위해 주기적으로 AUTO REFRESH를 한다.

지연 시간

각 작업에는 약간의 지연 시간이 있다.

행 데이터를 읽어오는 데 걸리는 지연 시간 : $t_{RCD}$ (Row to Column Delay)
복사한 행 데이터 중 읽으려는 데이터를 읽는 데 걸리는 지연 시간 : CAS Latency
PRECHARGE에 걸리는 지연 시간 : $t_{RP}$

Bank를 나눈 이유

각 단계를 수행하면서 약간의 지연 시간이 필연적으로 존재하기 때문에 그 지연 시간동안 다른 작업을 처리할 수 있도록 Bank가 나뉘어 있다. 한 Bank에서 작업을 처리하는 동안 다른 Bank에서 작업을 처리한다면 전체적인 IO 성능이 상승한다.

FMC

Flexible Memory Controller의 약자다. 동기식/비동기식 램, NAND 플래시 메모리 등 여러 메모리를 다룰 수 있는 페리퍼럴이다. AXI 버스에서 발생한 트랜잭션을 외부 메모리 장치가 사용하는 프로토콜로 변환해준다. 이 과정에서 외부 메모리 장치가 사용하는 접근 타이밍을 만족하도록 제어한다.

FK743M2-IIT6 개발 보드 설명

이 개발 보드를 구입한 이유는 이렇다. 실시간 오디오 신호처리를 하려면 메모리가 필요한데, MCU에 내장된 SRAM은 크기가 너무 작아서 활용하기 어려웠다. 그래서 외장 메모리가 탑재된 보드를 찾아보게 되었고, 보통 모듈을 구입할 때 알리 익스프레스를 이용했기 때문에 이곳에서 구매 가능한 보드 중에는 FK743 계열이 유일했다. 기존에 사용하던 MCU가 H743계열이므로, 가능한 이 MCU와 동일한 보드를 선택하려고 했고 FK743M2-IIT6을 선택했다.

상품 페이지에서는 W9825G6 SDRAM이 탑재되어 있다고 했지만, 주문 후 배송을 받아보니 IS42S16 SDRAM이 탑재되어 있었다. 둘 다 256Mbit의 메모리이므로 전체 용량은 같으므로 용량 측면에선 문제되진 않았다.

핀아웃 설명

개발 보드 데이터 시트를 찾으려 했지만 상품 판매 페이지에서는 찾을 수 없었고, AI를 사용해 검색했더니 깃허브 페이지에서 pdf 파일을 찾을 수 있었다. 하지만 그마저도 영문이 아닌 중문인데다가 자세한 정보를 얻을 수 없었다.

주의깊게 봐야하는 부분은 SDRAM 핀아웃을 설명하는 위 사진이다. 엄청 많은 핀들을 사용하고 있다. 하단에 W9825G6라고 되어 있지만, 추가 설명에 IS42S16과도 호환된다고 적혀있다.

SDRAM的封装也兼容IS42S16系列的SDRAM

번역기를 돌리면, The SDRAM package is also compatible with the IS42S16 series SDRAM

따라서 CubeMX에서 FMC 페리퍼럴을 활성화할 때 위 핀아웃대로 GPIO들을 설정해주면 문제없이 SDRAM을 쓸 수 있다.

CubeMx 설정

SDRAM을 쓰기 위해 설정해야할 곳은 FMC랑 MPU다.

FMC 설정

Mode

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Clock and chip enable

개발 보드 핀아웃을 참고하였을 때 SDRAM 1의 Bank 1을 써야 한다. FMC_SDCKE0과 FMC_SDNE0을 쓴다고 명시되어 있다. 따라서 SDCKE0 + SDNE0을 선택한다.
Internal bank number

IS42S16 데이터 시트에는 다음과 같이 되어 있다.

개발 보드가 IS42S16160J를 사용하므로 램 내부적으로는 4개의 Bank가 있다. 따라서 4 banks를 선택한다.
Address, Data

역시 개발 보드 핀아웃을 참고하면 A0부터 A12까지 핀이 있고, D0부터 D15까지 핀이 있음을 알 수 있다. 그러므로 Address는 13bits를, Data는 16bits를 선택한다.
Byte enable

이 설정도 개발 보드 핀아웃에서 NBL0, NBL1이 있으므로 16-bit byte enable을 선택한다.

Configuration

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이 부분은 SDRAM의 데이터시트를 참고하여 설정한다.

SDRAM Control
- Number of column/row address bits
  
  데이터 시트에는 Column Address가 [0:8]이고 Row Address가 [0:12]이므로, 각각 9 bits, 13 bits를 선택하면 된다.
- CAS latency
  
  SDRAM 데이터 시트에는 2 memory clock cycles 또는 3 memory clock cycles를 고르라고 되어있고 CubeMx에서는 1 ~ 3개의 클럭 사이클을 설정할 수 있게 되어 있다.
  
  위와 같이 SDRAM 데이터 시트에 따르면, CAS 클럭 사이클을 다르게 설정함으로 허용 가능한 동작 클럭을 변경할 수 있다. 현재 IS42S16160J-7TLI 모델을 쓰고 있으므로 Speed 열에서는 -7 행을 봐야 한다. CAS Latency에 따라 허용 가능한 동작 클럭은 133MHz, 143MHz다.
  
  여기서 말하는 허용 가능한 동작 클럭은 FMC_SDCLK 라인으로 전달되는 클럭을 의미한다.
  
  그러나 STM32H743 데이터시트에 따르면, FMC는 SDRAM의 허용 가능한 동작 클럭보다 더 낮은 값으로 동작하고 있음을 알 수 있다.
  
  동작 전압이 2.7V ~ 3.6V 사이라면 FMC_SDCLK는 최대 110MHz라고 한다. 따라서 어떤 값으로 설정하더라도 큰 문제는 없다.
- SDRAM common clock
  
  SDRAM 컨트롤러 레지스터 설명에 의하면, 다음과 같다.
  
  SDCLK의 출력값을 설정한다. 이 값을 0으로 설정하면 SDCLK 값을 0으로 설정하므로 SDRAM에 클럭이 공급되지 않아 데이터를 읽고 쓸 수 없는 상태가 된다. 2 또는 3으로 설정하면, FMC로 전달되는 fmc_ker_ck값을 2또는 3으로 나누어 SDCLK값을 설정한다.
  
  데이터시트에는 주기로 나와있기 때문에, 클럭으로 생각하면 fmc_ker_ck값을 2로 나누는 것이다.
  
  그러므로 Disabled가 아닌 아무 값이나 선택하면 된다.
  
  그리고 이 값은 두 개의 SDRAM 뱅크가 공유한다.
- SDRAM common burst read
  
  Burst Mode에 대해서는 다음 링크를 참조하는게 낫겠다.
  
  DRAM Memory Organization - 2 : 성능 향상 전략
  
  성능 향상을 위해 Row Buffer에 복사했던 데이터를 순차적으로 가져오는 기법인데, 활성화하면 성능 향상에 도움이 된다.
- SDRAM common read pipe delay
  
  SDRAM 컨트롤러 레지스터 설명에 의하면, 다음과 같다.
  
  CAS Latency 이후에 잠깐 기다리는 클럭 수를 지정하는건데, 사실 잘 모르겠다. 0으로 설정한다면 CAS Latency 이후에 바로 데이터를 읽으려 하므로 추가 지연이 없겠다.
SDRAM timing in memory clock cycles

정확한 값을 알아보기보다는 SDRAM을 테스트하는 것이 목적이어서 전부 기본값으로 두었다.

GPIO 변경

개발 보드 데이터 시트에는 FMC_SDCKE0 GPIO와 FMC_SDNE0 GPIO가 각각 PH2, PH3으로 되어 있다. 그러나 CubeMX에서 FMC를 활성화하면 각각 PC2, PC3으로 설정되어 버린다. 그러므로 사진처럼 GPIO를 변경한다.

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MPU 설정

FMC를 통해 SDRAM에 접근하면 AXI 트랜잭션이 발생한다. 이 말은 내부 버스를 통해 메모리를 읽고 쓴다는 것을 의미한다.

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STM32H743의 메모리 맵은 위와 같다. AXI 트랜잭션이 발생하면 그 주소값은 위에 있는 메모리 맵의 특정 위치를 가리킨다. 그러나 MPU 설정을 살펴보면, SDRAM에 접근하는 트랜잭션이 막혀 있다는 것을 알 수 있다.

SDRAM 접근이 막혀있는 이유

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MPU는 메모리 맵에 대한 접근 및 허용 가능한 권한들을 Region 단위로 설정할 수 있도록 제공하고 있다. 더 높은 Region일수록 우선순위가 높다.

가장 낮은 Region 0을 살펴보면, MPU Region Size가 4GB이므로 메모리 맵 전체에 대한 설정임을 알 수 있다. 이 설정은 단순히 MPU Access Permission이 ALL ACCESS NOT PERMITTED이므로 어떠한 접근이든 막는다.

그러나 예외를 두고 있는데, MPU SubRegion Disable이 0x87이다. 이 값의 범위는 0x00 ~ 0xFF인데, MPU Region Size를 8개로 나눈 후 각각의 범위에 대해 현재 Region에서 설정한 규칙을 비활성화할지 결정할 수 있다. 0x87 = 0b10000111이므로, 0x00000000 ~ 0x5FFFFFFF 범위와 0xE0000000 ~ 0xFFFFFFFF 범위에는 접근 거부를 비활성화한다는 것을 알 수 있다. 위 메모리 맵을 다시 읽어보면 해당 영역은 MCU의 SRAM, 그리고 예약된 영역(?)임을 알 수 있다. 따라서 SDRAM Bank 1에 해당하는 주소 범위인 0xC0000000 ~ 0xCFFFFFFFF를 접근 가능하게 만들어야 한다.

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아래와 같이 Base Address를 0xC0000000으로 설정하고, SDRAM의 크기인 32 MB(256 Mbit)를 Region Size로 설정한다. 그 외 권한들은 모두 허용으로 설정한다.

코드

험난한 CubeMX설정을 마쳤으므로 바로 HAL 라이브러리 함수를 쓰면 좋겠지만, SDRAM 컨트롤러를 통해 데이터를 읽고 쓰려면 초기화 과정이 필요하다.

SDRAM 컨트롤러 초기화

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CubeMX로 코드를 생성했다면, 1, 2단계에 해당하는 코드는 이미 stm32h7xx_ll_fmc.c에 작성되어 있다.

/**
  * @brief  Initializes the FMC_SDRAM device according to the specified
  *         control parameters in the FMC_SDRAM_InitTypeDef
  * @param  Device Pointer to SDRAM device instance
  * @param  Init Pointer to SDRAM Initialization structure
  * @retval HAL status
  */
HAL_StatusTypeDef FMC_SDRAM_Init(FMC_SDRAM_TypeDef *Device, const FMC_SDRAM_InitTypeDef *Init)
{
  /* 생략 */
}

/**
  * @brief  Initializes the FMC_SDRAM device timing according to the specified
  *         parameters in the FMC_SDRAM_TimingTypeDef
  * @param  Device Pointer to SDRAM device instance
  * @param  Timing Pointer to SDRAM Timing structure
  * @param  Bank SDRAM bank number
  * @retval HAL status
  */
HAL_StatusTypeDef FMC_SDRAM_Timing_Init(FMC_SDRAM_TypeDef *Device,
                                        const FMC_SDRAM_TimingTypeDef *Timing, uint32_t Bank)
{
  /* 생략 */
}

실제로 작성해야하는 코드들은 3 ~ 8단계에 해당하는 코드다. 각 단계는 SDRAM 컨트롤러에게 보낼 명령 구조체를 설정하는 것과 명령을 보낸 후 잠시 기다리는 정도라서 어렵지 않다.

static HAL_SDRAM_StateTypeDef SDRAM_Init(void) {
  const uint32_t timeout = 0xFF;
  FMC_SDRAM_CommandTypeDef command = {
      .CommandTarget = FMC_SDRAM_CMD_TARGET_BANK1,
      .AutoRefreshNumber = 1,
  };

  // 1. Start Clock 명령 전송
  command.CommandMode = FMC_SDRAM_CMD_CLK_ENABLE;
  if (HAL_SDRAM_SendCommand(&hsdram1, &command, timeout) != HAL_OK) {
    return HAL_SDRAM_STATE_ERROR;
  }

  // 2. 명령 전송 후 100us 만큼 기다리기
  HAL_Delay(1);

  // 3. Precharge 명령 전송
  command.CommandMode = FMC_SDRAM_CMD_PALL;
  if (HAL_SDRAM_SendCommand(&hsdram1, &command, timeout)) {
    return HAL_SDRAM_STATE_ERROR;
  }

  // 4. AutoRefresh 명령 전송
  command.CommandMode = FMC_SDRAM_CMD_AUTOREFRESH_MODE;
  command.AutoRefreshNumber = 8;
  if (HAL_SDRAM_SendCommand(&hsdram1, &command, timeout) != HAL_OK) {
    return HAL_SDRAM_STATE_ERROR;
  }

  // 5. LoadMode 명령 전송
  command.CommandMode = FMC_SDRAM_CMD_LOAD_MODE;
  command.AutoRefreshNumber = 1;
  command.ModeRegisterDefinition = 0x30 |  // Latency Mode bitset   = 011
                                   0x0 |   // Burst Type bit        = 0
                                   0x0;    // Burst Length bitset   = 000
  if (HAL_SDRAM_SendCommand(&hsdram1, &command, timeout) != HAL_OK) {
    return HAL_SDRAM_STATE_ERROR;
  }

  // 6. RefreshRate 주기 전송
  if (HAL_SDRAM_ProgramRefreshRate(&hsdram1, FMC_SDRTR_COUNT) != HAL_OK) {
    return HAL_SDRAM_STATE_ERROR;
  }

  return HAL_SDRAM_STATE_READY;
}

LoadMode 명령을 전송할 때 ModeRegisterDefinition 값을 전달해야한다.

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SDRAM 데이터 시트에는 위와 같이 만드는 방법을 알려준다. 여기서 생각해야될건 Burst Length 설정, Latency Mode를 CubeMX에서 설정한 값과 일치시키는 것이다.

CAS Latency를 3 memory clock cycles로 설정했고, 초기화 절차에서 Burst Length를 1로 설정하라 했으므로 0x30을 전달하면 된다. Burst Type에 대해서는 잘 모르겠다만, 어차피 Burst Length가 1개이므로 한 번 가져올 때 1개만 갖고 오기 때문에 어떤 값으로 설정하든 상관없다.

읽기/쓰기

읽고 쓸 때는 HAL_SDRAM_Write_16b, HAL_SDRAM_Read_16b 함수를 쓰면 된다.

테스트 코드는 다음과 같이 짰다.

  /* 생략 */

  MX_FMC_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */

  if (SDRAM_Init() == HAL_SDRAM_STATE_READY) {
    // 1. Fill buffer with random values
    for (int i = 0; i < BUFFER_SIZE; i++) {
      srcBuf[i] = i * i;
    }

    // 2. Write data to SDRAM
    status =
        HAL_SDRAM_Write_16b(&hsdram1, SDRAM_DEVICE_ADDR, srcBuf, BUFFER_SIZE);
    // 3. Read data from SDRAM
    status =
        HAL_SDRAM_Read_16b(&hsdram1, SDRAM_DEVICE_ADDR, dstBuf, BUFFER_SIZE);

    // 4. Verify by comparing buffers
    for (int i = 0; i < BUFFER_SIZE; i++) {
      if (srcBuf[i] != dstBuf[i]) {
        error++;
      }
    }
  }

  /* USER CODE END 2 */

  /* 생략 */

잘 불러와지는 것을 확인했다. (증거 사진 추가 바람)