一種基于DDR高速圖像緩存的實(shí)現(xiàn)

隨著半導(dǎo)體傳感器技術(shù)的發(fā)展，在實(shí)際應(yīng)用中越來越多地用到了高幀頻、大面陣的CCD相機(jī)以獲取高質(zhì)量、高分辨率的圖像數(shù)據(jù)。以分辨率為1K×1K、幀頻為200f/s、8bit灰度級的相機(jī)為例，其圖像數(shù)據(jù)流速率就將高達(dá)200MB/s，這對圖像的高速緩存和記錄提出了挑戰(zhàn)。高速緩存的實(shí)現(xiàn)是實(shí)時記錄的前提條件，高速圖像記錄之前必須采用合理的緩存機(jī)制來完成高速圖像數(shù)據(jù)緩存。
　　目前高速緩存實(shí)現(xiàn)方案有三種： 第一種是FIFO（先進(jìn)先出）方式,FIFO存儲器就像數(shù)據(jù)管道一樣，數(shù)據(jù)從管道的一端流入,從另一端流出，先進(jìn)先出,省略了地址線，接口簡單方便，其缺點(diǎn)是容量可擴(kuò)展性差。第二種是雙口RAM方式,具有兩套獨(dú)立的數(shù)據(jù)、地址和控制總線，因而可從兩個端口同時讀寫而互不干擾，能達(dá)到很高的傳輸速度，并且具有隨機(jī)存取的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是需要用戶產(chǎn)生地址邏輯。 第三種是高速SRAM切換方式，高速SRAM只有一套數(shù)據(jù)、地址和控制總線，可通過三態(tài)緩沖門來實(shí)現(xiàn)兩塊SRAM的乒乓切換操作，該方案提高了系統(tǒng)帶寬，缺點(diǎn)是切換電路控制比較復(fù)雜。
　　目前高速緩存方案中常采用三種介質(zhì)：第一種是SRAM,其具有操作簡單的特點(diǎn)，但是昂貴的價格和容量的有限性限制了其在高速大容量的緩存中的應(yīng)用。第二種是SDRAM，由于需要進(jìn)行刷新、預(yù)充電等操作，控制難度大于SRAM，同時由于其數(shù)據(jù)傳輸只在時鐘沿上沿進(jìn)行，因此其傳輸帶寬還是受時鐘頻率的限制。第三種是DDR SDRAM，克服了SDRAM數(shù)據(jù)帶寬的問題，在時鐘的上下沿均傳輸數(shù)據(jù)，帶寬是SDRAM的兩倍，性價比高，是目前高速緩存的最理想介質(zhì)。
　　本文以Micron DDR SDRAM[1]作為緩存介質(zhì)，發(fā)揮了FIFO接口簡單、DDR的容量可擴(kuò)展性和高數(shù)據(jù)帶寬的優(yōu)點(diǎn)。在工作時鐘100MHz的條件下，以FIFO作為緩存方案實(shí)現(xiàn)了緩存容量32MB、數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)360MB/s的高速圖像緩存，彌補(bǔ)了FIFO容量小和DDR用戶接口邏輯復(fù)雜的缺點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為提高設(shè)計(jì)的可移植性和可擴(kuò)展性，采用了模塊設(shè)計(jì)的方法，設(shè)計(jì)四個模塊來完成圖像緩存功能。系統(tǒng)框架如圖1所示。用戶層接口模塊負(fù)責(zé)與用戶進(jìn)行通信，接收用戶命令和圖像數(shù)據(jù)并產(chǎn)生控制命令到應(yīng)用層控制模塊；應(yīng)用層控制模塊負(fù)責(zé)接收來自用戶層命令以及物理層控制模塊的狀態(tài)反饋信號，產(chǎn)生讀寫命令及DDR操作地址發(fā)送到物理控制模塊；物理層控制模塊負(fù)責(zé)接收應(yīng)用層發(fā)送來的操作地址和命令以及和用戶層進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，同時負(fù)責(zé)產(chǎn)生DDR器件操作所需要的時序邏輯功能來完成對DDR器件的物理層操作。

1.1 物理層控制模塊
　　DDR器件在上電過程中有一系列復(fù)雜的操作：上電后至少等候200?滋s然后連續(xù)執(zhí)行如下一連串命令：
全充電→空命令→配置外部模式寄存器→空命令→配置內(nèi)部模式寄存器→全充電→空命令→自動刷新→空命令→自動刷新→空命令→用戶發(fā)出任何有效操作命令。
該模塊的狀態(tài)機(jī)如圖2所示，復(fù)位或者上電后進(jìn)入初始化狀態(tài)，初始化完成后進(jìn)入工作等待（空閑）中，由于DDR器件的構(gòu)造特點(diǎn)，需要每隔64ms對器件所有存儲單元進(jìn)行一次刷新。DDR器件本身具有自動刷新計(jì)數(shù)器，刷新一行計(jì)數(shù)器便增加一，因此自動刷新的時間間隔由DDR的行數(shù)決定，本設(shè)計(jì)采用Micron MT46V32M16器件，行數(shù)為8K,計(jì)算得到相鄰自動刷新命令的間隔為7.8μs。設(shè)計(jì)中采用一個計(jì)數(shù)器，每隔7.8?滋s就發(fā)出一個自動刷新的命令，控制器在工作空閑狀態(tài)下響應(yīng)并發(fā)出自動刷新命令。