一種基于DDR高速圖像緩存的實現(xiàn)

DDR的存儲單元[2]按照塊(BANK)、行(ROW)、列(Column)地址分布，支持最大猝發(fā)操作為8個存儲單元，每次切換塊、行地址必須首先進行充電狀態(tài)(Precharge)來關(guān)閉當前操作的塊、行中的存儲單元，并且在進行新的操作時首先要激活操作單元所在的塊和行，控制器在工作空閑狀態(tài)下發(fā)出激活命令(ACTIVE)進入激活狀態(tài)，在此狀態(tài)下等候應(yīng)用層發(fā)送的控制命令以進行數(shù)據(jù)操作。
　　由以上分析可知：由于存在猝發(fā)長度限制及塊和行地址切換等控制時間開銷，DDR的隨機操作的數(shù)據(jù)吞吐量實際上是有限的，不適合高速圖像緩存這種應(yīng)用環(huán)境，必須設(shè)計一種新的猝發(fā)模式來提高數(shù)據(jù)吞吐量。本文結(jié)合DDR充電以及圖像緩存的特點，提出并實現(xiàn)了一種一次操作DDR一行、一行1 024個存儲單元的猝發(fā)模式，由于DDR只支持2、4、8長度的猝發(fā)模式，設(shè)計中采用了猝發(fā)長度為4的連續(xù)猝發(fā)方式，核心思想是在一次猝發(fā)正在進行的時候又發(fā)起操作命令從而使得該次猝發(fā)后連續(xù)進行下一次猝發(fā)。實現(xiàn)了一次連續(xù)操作2KB數(shù)據(jù)的高吞吐量操作。如圖2狀態(tài)機所示，當一行操作完后則進入空閑狀態(tài)，然后再進行自動刷新和充電的操作。這種猝發(fā)模式一次猝發(fā)只需要一次充電操作，而猝發(fā)長度為8的猝發(fā)模式完成2KB的數(shù)據(jù)傳輸共需要進行125次充電操作，而一次充電操作需要幾個時鐘周期開銷，相比較而言，大大節(jié)省了控制開銷，提高了數(shù)據(jù)吞吐量。
1.2 應(yīng)用層控制模塊
　　本設(shè)計將DDR作為FIFO的容量擴展來實現(xiàn)高速緩存，這需要內(nèi)部產(chǎn)生地址邏輯。在應(yīng)用層控制模塊中，負責接收用戶接口模塊送過來的命令信號，并對命令進行譯碼。判斷當前命令與上次命令一樣的時候地址繼續(xù)累加產(chǎn)生，當前命令與上次命令不同時則地址復(fù)位，重新從DDR的零地址開始操作，這樣符合FIFO的工作特點。模塊產(chǎn)生DDR的地址信號和物理層的控制信號，并根據(jù)地址邏輯產(chǎn)生DDR狀態(tài)信號反饋到用戶層接口。
1.3 用戶層接口模塊
　　用戶層接口模塊[3]負責接收圖像輸入數(shù)據(jù)，并提供簡易用戶接口，屏蔽了內(nèi)部控制的復(fù)雜性，在用戶看來對該DDR的操作實際上就是對FIFO的操作，判斷DDR內(nèi)部產(chǎn)生的DDR狀態(tài)信號，發(fā)出緩存或者數(shù)據(jù)讀出命令。
　　用戶接口層模塊方框圖如圖3所示。當用戶發(fā)出緩存命令時，內(nèi)部狀態(tài)機自動監(jiān)測圖像幀的開始位置并將一幀中的幾行數(shù)據(jù)寫入“輸入FIFO”，當此FIFO達到一次猝發(fā)操作數(shù)據(jù)量2KB時，狀態(tài)機發(fā)出DDR寫命令到下一層，并一次性讀完輸入FIFO的數(shù)據(jù)。圖像數(shù)據(jù)連續(xù)向“輸入FIFO”輸入，狀態(tài)機不間斷地檢測“輸入FIFO”的編程狀態(tài)信號并發(fā)出DDR寫命令。由于圖像數(shù)據(jù)存在行場消隱期以及DDR的行猝發(fā)寫操作效率高，因此在一定的像素時鐘條件下不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)堵塞情況。

當用戶發(fā)出讀出命令時，狀態(tài)機自動檢測“輸入FIFO”的狀態(tài)，在可編程空信號有效時一次性向“輸出FIFO”輸入2KB數(shù)據(jù)，此時“輸出FIFO”輸出數(shù)據(jù)有效信號以提示用戶可以進行數(shù)據(jù)讀取。用戶從DDR讀出數(shù)據(jù)操作實際上就是對FIFO的讀操作，因此用戶只需要提供讀FIFO使能信號以及讀FIFO時鐘就可以將DDR內(nèi)部的數(shù)據(jù)依次讀出。當用戶快要將FIFO的數(shù)據(jù)讀空的時候，狀態(tài)機發(fā)出讀命令從DDR存儲器中一次性讀出2KB數(shù)據(jù)存入“輸出FIFO”中，由于DDR讀的峰值速度高達400MB/s(100MHz×2B×2)，而用戶接口讀速率一般不超過這個值，因此不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)堵塞情況。
該模塊完成了用戶接口、圖像輸入、控制器三個時鐘域的設(shè)計,極大地簡化了用戶接口的操作。良好的功能模塊化劃分，使得用戶只需按照具體要求對圖像輸入接口進行簡單修改便可實現(xiàn)對于任何數(shù)據(jù)源的緩存，拓寬了該緩存技術(shù)的應(yīng)用范圍。
1.4 時鐘管理單元模塊
　　本設(shè)計DDR控制器時鐘頻率[4]為100MHz，在各模塊中時鐘相位可以不同。因此時鐘管理模塊對時鐘輸入信號進行90°、180°、270°等相移，設(shè)計中可以采用FPGA的數(shù)字時鐘管理單元(DCM)。該模塊產(chǎn)生復(fù)位信號，當上電復(fù)位該模塊自動檢測復(fù)位信號，并延遲200μs產(chǎn)生控制器所需要的復(fù)位信號。

2 性能測試
　　使用VHDL語言[5]在ISE7.1i軟件環(huán)境下完成整個模塊的設(shè)計，綜合后共占14％的芯片Slice資源，最高時鐘頻率可達156.5MHz。在基于Xilinx的VirtexIIpro硬件平臺上加載測試，硬件平臺中使用的DDR為Micron公司的MT46V32M16芯片，晶振為100MHz。
　　為測試該設(shè)計的最高平均緩存速度，采用邏輯分析儀采集控制器內(nèi)部工作時的數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)一行數(shù)據(jù)的猝發(fā)共需要512個時鐘周期，而刷新、充電、狀態(tài)等待等時鐘開銷只需要不到50個時鐘周期，因此，實際平均數(shù)據(jù)吞吐量為理論峰值速率400MB/s×512/(512+50)≈360MB/s。
　　為測試該圖像緩存的數(shù)據(jù)記錄的完整性，向該模塊輸入模擬產(chǎn)生的相機數(shù)據(jù)。8位灰度圖像大小為512×512,圖4為從DDR器件中讀出的緩存圖像。

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于DDR的高速圖像緩存。創(chuàng)新地采用了行猝發(fā)操作以提高數(shù)據(jù)吞吐量。在100MHz的時鐘條件下實現(xiàn)峰值傳輸速率400MB/s、最大平均傳輸速率360MB/s的圖像緩存。在提高時鐘頻率的情況下數(shù)據(jù)傳輸率還有上升空間。同時用戶可根據(jù)需求對輸入接口進行修改以應(yīng)用于特殊要求的數(shù)據(jù)緩存，應(yīng)用廣泛。