實(shí)時(shí)視頻采集系統(tǒng)的SDRAM控制器設(shè)計(jì)

0 引 言
??? 在PAL→VGA的實(shí)時(shí)視頻采集系統(tǒng)中，由于視頻數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性要求高。需要高速大容量的存儲(chǔ)器作為圖像數(shù)據(jù)的緩存。SDRAM作數(shù)據(jù)緩存不僅具有大容量和高速度的特點(diǎn)，而且在價(jià)格和功耗方面也占有很大的優(yōu)勢(shì)。但是SDRAM控制較復(fù)雜，需要處理預(yù)充、刷新、換行等操作，因此有必要設(shè)計(jì)SDRAM控制器來(lái)完成和SDRAM的接口。并且為了保證數(shù)據(jù)流的連續(xù)性，實(shí)時(shí)視頻采集系統(tǒng)通常采用通過(guò)對(duì)兩片SDRAM的乒乓操作來(lái)完成圖像數(shù)據(jù)的緩存。針對(duì)SDRAM是高速設(shè)備，工作頻率上限最高可以達(dá)到166 MHz，而該系統(tǒng)中前端圖像采集模塊的像素時(shí)鐘為27 MHz，后端VGA顯示的像素時(shí)鐘為31．5 MHz。在此介紹了一種使用1片SDRAM的不同BANK進(jìn)行乒乓操作，且相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)的SDRAM控制器設(shè)計(jì)方法。

1 SDRAM基本操作原理
??? SDRAM的主要操作包括初始化、讀寫(xiě)訪問(wèn)、刷新、激活、預(yù)充電等。以MICRON公司的MT48LC4M3282(1M×32 b×4 BANKS)為例，簡(jiǎn)要介紹一下SDRAM的操作。
??? 如圖1所示，SDRAM的初始化操作過(guò)程如下：
??? (1)在電源管腳上電(電壓不得超過(guò)標(biāo)稱(chēng)值的0．3 V)并且時(shí)鐘穩(wěn)定后經(jīng)過(guò)200μs延遲，執(zhí)行一次空操作命令(該命令在延遲周期的后期發(fā)出)且保持時(shí)鐘使能信號(hào)為高；
??? (2)對(duì)所有的BANK進(jìn)行預(yù)充電，所有的BANK都進(jìn)入空閑狀態(tài)；
??? (3)預(yù)充電后執(zhí)行兩個(gè)自動(dòng)刷新命令，等待八個(gè)刷新周期完畢；
??? (4)發(fā)出模式設(shè)置命令來(lái)設(shè)置模式寄存器。由于上電后模式寄存器的狀態(tài)是不確定的，所以在進(jìn)行SDRAM操作之前一定要先設(shè)置模式寄存器。模式寄存器設(shè)置值如圖2所示。

??? 對(duì)SDRAM的讀寫(xiě)訪問(wèn)先要以激活命令選擇具體的BANK和行，地址線BA1／BA0用來(lái)選擇BANK，A0～A11用來(lái)選擇所要訪問(wèn)的行；然后發(fā)出讀或?qū)懨睿刂肪€A0～A7用來(lái)選擇所要訪問(wèn)的起始列。在讀命令發(fā)出后，要等待一個(gè)CAS延遲時(shí)間，有效數(shù)據(jù)才會(huì)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上，CAS延遲時(shí)間可以設(shè)置為2或3個(gè)時(shí)鐘。在寫(xiě)命令發(fā)出后，不需要等待CAS延遲時(shí)間有效數(shù)據(jù)會(huì)立即出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上。對(duì)SDRAM的讀寫(xiě)操作一般以突發(fā)模式進(jìn)行，突發(fā)長(zhǎng)度可以設(shè)置成1，2，4，8以及全頁(yè)，常用的長(zhǎng)度為8個(gè)。該系統(tǒng)的CAS延遲時(shí)間設(shè)置為2，突發(fā)長(zhǎng)度為1。
??? SDRAM的存儲(chǔ)單元可以理解為一個(gè)電容，總是傾向于放電，必須有定時(shí)的刷新周期以避免數(shù)據(jù)丟失。只要保證在64 ms時(shí)間內(nèi)所有有效數(shù)據(jù)行都完成刷新就可以保證數(shù)據(jù)不丟。SDRAM提供兩種類(lèi)型的刷新模式：自動(dòng)刷新和自刷新。在該系統(tǒng)中，前端PAL制式信號(hào)一幀的時(shí)間為40 ms，因此SDRAM的同一地址讀寫(xiě)操作的時(shí)間相隔為40 ms。又由于系統(tǒng)為實(shí)時(shí)視頻采集系統(tǒng)，前端采集的視頻數(shù)據(jù)是連續(xù)不斷的，所以該系統(tǒng)不需要進(jìn)行刷新操作即可保證數(shù)據(jù)不丟。
2 SDRAM控制器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
??? 在實(shí)時(shí)視頻采集系統(tǒng)中，為了保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定和連續(xù)性，通常采用的方法是對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行乒乓操作。一般所指的乒乓操作針對(duì)兩片存儲(chǔ)器芯片，如圖3所示，其原理是通過(guò)控制模塊對(duì)兩片存儲(chǔ)器分別做讀寫(xiě)操作，寫(xiě)存儲(chǔ)器滿(mǎn)時(shí)控制模塊發(fā)出交換命令，切換兩片存儲(chǔ)器的操作狀態(tài)。

??? 該系統(tǒng)采用的是一片SDRAM實(shí)現(xiàn)乒乓操作。設(shè)計(jì)時(shí)是利用SDRAM的不同BANK間的存取操作來(lái)實(shí)現(xiàn)乒乓操作。由于SDRAM總共有4個(gè)BANK，所以讀取第一幀圖像時(shí)使用SDRAM的1，2 BANK為讀緩存，3，4 BANK為寫(xiě)緩存。第二幀圖像時(shí)SDRAM的3，4 BANK切換為讀緩存，1，2 BANK切換為寫(xiě)緩存。采用一幀圖像讀寫(xiě)完畢作為切換標(biāo)志反復(fù)切換讀寫(xiě)緩存，就充分利用SDRAM的不同BANK來(lái)實(shí)現(xiàn)乒乓操作。另一方面由于SDRAM的數(shù)據(jù)線和地址線只有1組，所以實(shí)際控制的時(shí)候讀寫(xiě)操作是不能同時(shí)進(jìn)行的。設(shè)計(jì)中考慮到SDRAM的工作頻率與前端圖像采集的像素頻率以及后端VGA顯示的像素頻率相比要高得多，因此將讀寫(xiě)操作利用時(shí)分的方式分開(kāi)控制。所以在控制器中設(shè)計(jì)了一個(gè)指令計(jì)數(shù)器(Countcmd)，通過(guò)計(jì)數(shù)的方式來(lái)切換讀寫(xiě)操作。只要選取適當(dāng)?shù)腟DRAM工作頻率以及指令計(jì)數(shù)器的規(guī)定值就可以完成SDRAM讀寫(xiě)操作的連續(xù)切換。實(shí)際設(shè)計(jì)中采用的SDRAM工作頻率為100 MHz，指令計(jì)數(shù)器的規(guī)定值為240。SDRAM控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換概圖如圖4所示。

??? SDRAM控制器的具體狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程如下：首先初始化SDRAM，然后向SDRAM的1，2 BANK寫(xiě)入第一幀圖像，當(dāng)?shù)谝粠瑘D像寫(xiě)入完畢后進(jìn)入乒乓操作階段。此時(shí)SDRAM的1，2 BANK為讀緩存，3，4 BANK為寫(xiě)緩存。
??? 首先進(jìn)入讀緩存激活行，開(kāi)始讀操作，讀操作開(kāi)始的同時(shí)啟動(dòng)指令計(jì)數(shù)器。此時(shí)每執(zhí)行一條指令(包括讀指令，空操作指令，不包括預(yù)充電指令和行激活指令)，指令計(jì)數(shù)器自加1，當(dāng)指令計(jì)數(shù)器到達(dá)規(guī)定值時(shí)將指令計(jì)數(shù)器清0并切換到寫(xiě)狀態(tài)。進(jìn)入寫(xiě)狀態(tài)前先判斷寫(xiě)緩存的行激活標(biāo)志，如果沒(méi)有激活，先執(zhí)行行激活，然后開(kāi)始寫(xiě)操作，如果已經(jīng)激活則直接開(kāi)始寫(xiě)操作。寫(xiě)操作開(kāi)始的同時(shí)啟動(dòng)指令計(jì)數(shù)器。此時(shí)和讀狀態(tài)時(shí)一樣，每執(zhí)行一條指令，指令計(jì)數(shù)器自加1，當(dāng)指令計(jì)數(shù)器到達(dá)規(guī)定值時(shí)同樣將指令計(jì)數(shù)器清0后切換到讀狀態(tài)。如此反復(fù)切換操作，直至讀完一幀或者寫(xiě)滿(mǎn)一幀。如果是讀完一幀，則判斷寫(xiě)緩存中一幀寫(xiě)滿(mǎn)沒(méi)有。如果已經(jīng)寫(xiě)滿(mǎn)，則進(jìn)入讀寫(xiě)B(tài)ANK切換狀態(tài)。如果沒(méi)有，則進(jìn)入寫(xiě)狀態(tài)并不再切換讀寫(xiě)狀態(tài)，一直保持寫(xiě)狀態(tài)直至寫(xiě)滿(mǎn)一幀為止，然后進(jìn)入讀寫(xiě)B(tài)ANK切換狀態(tài)。如果是寫(xiě)滿(mǎn)一幀，則同理于讀完一幀的情況，首先判斷讀緩存中讀完一幀沒(méi)有，然后根據(jù)判斷結(jié)果進(jìn)行操作，最后進(jìn)入讀寫(xiě)B(tài)ANK切換狀態(tài)。在讀寫(xiě)B(tài)ANK切換狀態(tài)中，讀緩存切換為3，4 BANK，寫(xiě)緩存切換為1，2 BANK。反復(fù)上述操作步驟，就可以完成使用一片SDRAM不同BANK的乒乓操作。整個(gè)SDRAM控制器在Altera的QuartusⅡ7．2環(huán)境下采用Verilog設(shè)計(jì)完成，然后在ModelSim SE 6．0環(huán)境下仿真通過(guò)。隨后通過(guò)Altera的QuartusⅡ7．2進(jìn)行綜合和布局布線，并最終在Al-teraCyclone系列FPGA芯片EP1C6Q240C8上完成。所設(shè)計(jì)的SDRAM控制器在PAL→VGA的實(shí)時(shí)視頻采集系統(tǒng)中調(diào)試通過(guò)，能夠?qū)崿F(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取，完全滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求。

3 結(jié) 語(yǔ)
??? 介紹在PAL→VGA的實(shí)時(shí)視頻采集系統(tǒng)中使用SDRAM作為圖像緩存的基本操作，設(shè)計(jì)一種使用1片SDRAM的不同BANK進(jìn)行乒乓操作的相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)的SDRAM控制器設(shè)計(jì)方法。在PAL→VGA的實(shí)時(shí)視頻采集系統(tǒng)中，使用了所設(shè)計(jì)的SDRAM控制器，并通過(guò)硬件驗(yàn)證，采集得到的圖像質(zhì)量較好。另外，這里設(shè)計(jì)的SDRAM控制器稍加改動(dòng)就可以應(yīng)用到其他實(shí)時(shí)視頻采集系統(tǒng)中去，具有很強(qiáng)的通用性。