嵌入式實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)中SDRAM控制器的實(shí)現(xiàn)

0 引 言
    SDRAM作為大容量、高速度、低價(jià)格、低功耗的存儲(chǔ)器件，在嵌入式實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)中具有很高的應(yīng)用價(jià)值，但其控制機(jī)制復(fù)雜，因此需要設(shè)計(jì)控制器，以簡(jiǎn)化系統(tǒng)對(duì)SDRAM的訪問。雖然目前許多微處理器及DSP都提供了與SDRAM的直接接口，但這種通用控制器的執(zhí)行效率很低，難以滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)速度的要求。鑒于此，介紹一種基于FPGA設(shè)計(jì)而實(shí)現(xiàn)高效SDRAM控制器的方案。結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)，該方案將SDRAM配置為全頁突發(fā)模式，并采用異步FIFO作為FPGA與SDRAM間的數(shù)據(jù)緩沖器。分析表明，全頁突發(fā)操作模式能夠很好地發(fā)揮SDRAM高速讀寫的性能；同時(shí)，設(shè)計(jì)成乒乓操作結(jié)構(gòu)的異步FIFO，在保證數(shù)據(jù)連續(xù)性的同時(shí)，更能降低低速前端對(duì)高速SDRAM訪問的影響。

1 SDRAM簡(jiǎn)介
1．1 SDRAM的特點(diǎn)
    相對(duì)于其他存儲(chǔ)器件，SDRAM具備以下特性。
    (1)上電后必須通過一個(gè)初始化進(jìn)程配置模式寄存器的值，以決定SDRAM的工作模式；
    (2)基于三極管和電容的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)SDRAM決定了必須對(duì)其定時(shí)執(zhí)行刷新操作，以免數(shù)據(jù)丟失；
    (3)訪問SDRAM時(shí)，先由Active命令激活要讀寫的Bank及行并鎖存行址，然后在Read／Write命令有效時(shí)鎖存列址。當(dāng)訪問當(dāng)前Bank的其他行時(shí)，須先使用Pre-charge命令關(guān)閉當(dāng)前行；
    (4)SDRAM的內(nèi)部操作由命令控制，CS_N，RAS_N，CAS_N和WE_N在時(shí)鐘上升沿的狀態(tài)決定了具體的操作，Bank及行列地址線在部分操作中作為輔助參數(shù)輸入。
1．2 全頁(Full-page)模式突發(fā)操作
    進(jìn)行大量數(shù)據(jù)讀寫時(shí)，全頁突發(fā)模式是充分利用SDRAM性能，提高讀寫速度的良好選擇。
    激活Bank的某一行后即可對(duì)該行進(jìn)行讀寫操作。
寫入數(shù)據(jù)在發(fā)出寫命令的當(dāng)前時(shí)鐘周期即可有效，因此寫操作可以在單周期內(nèi)完成；而讀出數(shù)據(jù)將在發(fā)出讀命令之后CL(CAS Latency)時(shí)鐘周期才能輸出到總線，即隨機(jī)讀取單個(gè)數(shù)據(jù)至少需要1+CL時(shí)鐘周期?？梢?，隨機(jī)讀操作會(huì)大大降低系統(tǒng)效率。若采用全頁突發(fā)方式，對(duì)于列寬度為n的SDRAM存儲(chǔ)器，整頁輸出所需的總周期數(shù)為2n+CL，平均單個(gè)數(shù)據(jù)輸出所需周期為(2n+CL)／2n△1，由此讀操作延遲對(duì)系統(tǒng)效率的影響可降至最低。

2 SDRAM控制器設(shè)計(jì)
    實(shí)際的實(shí)時(shí)紅外熱成像系統(tǒng)采用了ISSI公司生產(chǎn)的型號(hào)為IS42S16160B的SDRAM作為數(shù)據(jù)緩存，其存儲(chǔ)單元組織結(jié)構(gòu)為4 Bank×8 192行×512列×16位。
    SDRAM控制器主要由時(shí)鐘鎖相環(huán)模塊、初始化模塊、刷新計(jì)數(shù)模塊、數(shù)據(jù)通路模塊、輸入／輸出FIFO模塊、FIFO接口模塊和主控制器模塊組成，如圖1所示。

    在該SDRAM控制器中，片上時(shí)鐘鎖相環(huán)模塊的作用是將輸入時(shí)鐘倍頻為所需要的時(shí)鐘，并根據(jù)電路板布局進(jìn)行移相，以保證在時(shí)鐘上升沿準(zhǔn)確采樣命令及數(shù)據(jù)。初始化模塊負(fù)責(zé)產(chǎn)生規(guī)定了時(shí)間、順序和個(gè)數(shù)的控制命令對(duì)SDRAM進(jìn)行配置，并在進(jìn)程結(jié)束后發(fā)出ini_end信號(hào)，以啟動(dòng)主控制器。刷新控制模塊的作用是每隔最長(zhǎng)7．812 5μs發(fā)出刷新請(qǐng)求信號(hào)ref_req，并接收主控制器發(fā)出的ref_ack信號(hào)重置刷新計(jì)數(shù)器。數(shù)據(jù)通路模塊用于控制數(shù)據(jù)的有效輸入／輸出。
    由于系統(tǒng)對(duì)控制器中讀寫操作的數(shù)據(jù)連續(xù)性要求很高，且讀寫速度比較低，而控制器對(duì)SDRAM中讀寫操作的數(shù)據(jù)連續(xù)性并無要求，且讀寫速度很高，因此需要使用異步FIFO作為輸入／輸出緩存。輸入／輸出FIFO的數(shù)據(jù)寬度為16 b，深度可視系統(tǒng)需要而定，但應(yīng)大于一次讀寫的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度LENGTH。另外，為配合SDRAM的全頁突發(fā)模式，并充分發(fā)揮SDRAM高速讀寫的特點(diǎn)，F(xiàn)IFO采用了乒乓操作的流水線結(jié)構(gòu)。現(xiàn)以輸入FIFO為例，當(dāng)某個(gè)輸入FIFO寫滿LENGTH數(shù)據(jù)時(shí)，主控制器從該輸入FIFO讀出數(shù)據(jù)寫入SDRAM，同時(shí)系統(tǒng)向另一個(gè)輸入FIFO寫入數(shù)據(jù)。

    FIFO接口模塊的主要信號(hào)如圖2所示。其作用是將FIFO的狀態(tài)信號(hào)轉(zhuǎn)換為主控制器的讀寫請(qǐng)求信號(hào)，并控制切換輸入／輸出的兩個(gè)FIFO。以向SDRAM寫入數(shù)據(jù)為例，若某個(gè)輸入FIFO的寫人數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)標(biāo)志信號(hào)in_wr_used與LENGTH相等，則向主控制器發(fā)出寫SDRAM請(qǐng)求，并將該輸入FIFO中的LENGTH數(shù)據(jù)一次寫入SDRAM，同時(shí)控制系統(tǒng)向另一個(gè)輸入FIFO寫入數(shù)據(jù)。
    SDRAM支持多種工作模式，將其全部包含在主控制器狀態(tài)機(jī)中會(huì)大大增加設(shè)計(jì)難度，并降低運(yùn)行速度?？紤]到一些模式在實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)中并不需要，所以對(duì)SDRAM主控制器韻狀態(tài)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，如圖3所示。[!--empirenews.page--]

    對(duì)該主控制器有以下兩點(diǎn)需要說明：
    (1)器件僅在上電后進(jìn)行一次初始化配置，進(jìn)入正常工作狀態(tài)后就不再改變工作模式。初始化時(shí)序仿真結(jié)果，如圖4所示。

    (2)當(dāng)SDRAM工作在全頁突發(fā)模式時(shí)，讀寫操作所訪問的地址將在頁內(nèi)循環(huán)，直至收到Burst-Termi-nate命令或Pre-charge命令。由于在Burst-Termi-nate命令后還需發(fā)出Pre-charge命令，才能保證芯片正常工作，因此設(shè)計(jì)采用了Pre-charge命令終止頁模式。為保證LENGTH數(shù)據(jù)中正確讀出或?qū)懭隨DRAM，發(fā)出Pre-charge命令時(shí)必須滿足一定的時(shí)序要求。對(duì)于讀操作，Pre-charge應(yīng)在最后一個(gè)有效輸出數(shù)據(jù)之前CL-l時(shí)鐘發(fā)出；對(duì)于寫操作，Pre-charge應(yīng)在最后一個(gè)有效輸入數(shù)據(jù)之后tDPL時(shí)間發(fā)出。圖5和圖6給出SDRAM控制器的讀寫操作時(shí)序仿真結(jié)果，其中，OUT_VALID及IN_VALID信號(hào)分別表明輸出及輸入數(shù)據(jù)有效。

3 結(jié) 語
    針對(duì)實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)的特點(diǎn)，定制SDRAM控制器。在Altera公司的主流芯片Cyclone II(EP2C70F896C6)上成功地使用了Verilog HDL編程語言，其占用355個(gè)邏輯單元(不到FPGA總邏輯資源的1％)；4個(gè)M4K塊和1個(gè)PLL鎖相環(huán)。在320×240的實(shí)時(shí)紅外熱成像系統(tǒng)中，該SDRAM控制器的工作狀態(tài)良好，并可通過改變LENGTH參數(shù)而方便地用于任意分辨率的實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)中，可移植性強(qiáng)。