基于SDRAM的視頻處理器設(shè)計與實現(xiàn)
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在信息處理中，特別是實時視頻圖像處理中，通常都要對實現(xiàn)視頻圖像進(jìn)行處理，而這首先必須設(shè)計大容量的存儲器，同步動態(tài)隨機(jī)存儲器SDRAM雖然有價格低廉、容量大等優(yōu)點，但因SDRAM的控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常用的方法是設(shè)計SDRAM通用控制器，這使得很多人不得不放棄使用SDRAM而使用價格昂貴的SRAM。為此，筆者在研究有關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)具體情況提出一種獨特的方法，實現(xiàn)了對SDRAM的控制，并通過利用FPGA控制數(shù)據(jù)存取的順序來實現(xiàn)對數(shù)字視頻圖像的旋轉(zhuǎn)，截取、平移等實時處理。SDRAM的控制原理，如圖1所示。
SDRAM基本操作原理
本文以三星公司的SDRAM器件K4S561632C[4]為例來是說明SDRAM的工作原理。
SDRAM的結(jié)構(gòu)特點
存儲器的最初結(jié)構(gòu)為線性，它在任何時刻，地址線中都只能有一位有效。設(shè)容量為NM的存儲器有S0－Sn－1條地址線；當(dāng)容量增大時，地址選擇線的條數(shù)也要線性增多，利用地址譯碼雖然可有效地減少地址選擇線的條數(shù)，但這種存儲器的長寬比太大，顯然，這在工業(yè)上是無法實現(xiàn)的。而且由于連線的延時與連線的長度成正比，這樣的設(shè)計會使存儲器的存取速度很慢。為了解決這個問題，現(xiàn)在常用的存儲器都是將存儲單元設(shè)計成陣列形狀，使其長寬比接近1：1。這樣，電路就必須增加一個列地址譯碼器，才能選出正確的存儲單元。這樣，整個存儲器的地址線被分為行地址線和列地址線，行地址線要將要選擇執(zhí)行讀或?qū)懖僮鞯男?，而列地址線則可從被選中的一行中再選出一個用于真正執(zhí)行讀或?qū)懖僮鞯拇鎯卧?
SDRAM的行地址線和列地址線是分時復(fù)用的，即地址線要分兩次送出，先送行地址線，再送列地址線。這樣可進(jìn)一步減少地址線的數(shù)量、提高器件的性能，但尋址過程會由此變得復(fù)雜，新型的SDRAM的容量一般比較大，如果還采用簡單的陣列結(jié)構(gòu)，就會使存儲器的字線和位線的長度、內(nèi)部寄生電容及寄生電阻都變得很大，從而使整個存儲器的存取速度嚴(yán)重下降，實際上，現(xiàn)在SDRAM一般都以Bank（存儲體或存儲塊）為組織，來將SDRAM分為很多獨立的小塊，然而由Bank地址線BA控制Bank之間的選擇；SDRAM的行、列地址線貫穿所有的Bank；每個Bank的數(shù)據(jù)位寬同整個存儲器的相同。這樣，Bank內(nèi)的字線和位線的長度就可被限制合適的范圍內(nèi)，從而加快存儲器單元的存取速度，另外，BA也可以使被選中的Bank處于正常工作模式，而使沒有被選中的Bank工作在低功耗模式下，這樣還可以降低SDRAM的功耗。
為了減少MOS管的數(shù)量、降低功耗、提高集成度和存儲容量，SDRAM都是利用其內(nèi)部電容存儲信息，由于電容的放電作用，必須每隔一段時間給電容充電才能使存儲在電容里的數(shù)據(jù)信息不丟失，這就是刷新過程，這種機(jī)制使SDRAM的控制過程變的更加復(fù)雜，從而給應(yīng)用帶來難度。
三星公司的SDRAM（K4S561632C）的外部同步時鐘速率可在一定的頻率范圍內(nèi)連續(xù)變化，最高頻率可達(dá)到133MHz，每塊SDRAM內(nèi)含四個獨立的Bank；它的基本存儲單元都是按照陣列排列的，它的數(shù)據(jù)位寬和整個存儲器的位寬相同，同時支持多種讀寫模式；所有的輸入信號均以時鐘的上升沿為基準(zhǔn)，這使得地址、控制和數(shù)據(jù)輸入到緩沖器的時間可保持一致且建立和保持的時間很小；該器件使用完全流水線型內(nèi)部結(jié)構(gòu)；另外，它還具有突發(fā)長度可編程、延遲可編程等優(yōu)點。這些優(yōu)點使得K4S561632C能廣泛的應(yīng)用于寬頻帶、高性能存儲器應(yīng)用系統(tǒng)。
SDRAM的基本信號
SDRAM的基本信號可以分成以下幾類：
（1）控制信號：包括片選（CS）、同步時鐘（CLK）、時鐘有效（CLKEN）、讀寫選擇（WE）、數(shù)據(jù)有效（DQM）等；
（2）地址選擇信號：包括行地址選擇（RAS）、列地址選擇（CAS）、行/列地址線（SA0－SA12）分時復(fù)用、Bank塊地址線（BA0－BA1）；
（3）數(shù)據(jù)信號：包括雙向數(shù)據(jù)端口（DQ0－DQ15）、接收數(shù)據(jù)有效信號（DQM）控制等。DQM為低時，寫入/讀出有效。
對SDRAM的基本命令
要正確的對SDRAM進(jìn)行操作，就需要輸入多種命令：包括模式寄存器設(shè)置、預(yù)充電、突發(fā)停止、空操作等命令。SDRAM內(nèi)部的狀態(tài)會根據(jù)表1的命令進(jìn)行轉(zhuǎn)移，其中，命令COM＝{CS＃；RAS＃；CAS＃；WE＃}。
模式寄存器的規(guī)定
利用模式寄存器（Mode Register）[5]可通過裝載模式寄存器命令（LOADMODE REGISTER）進(jìn)行編程，這組信息將會一直保存在模式寄存器中，直到它再次被編程或器件掉電為止；它規(guī)定了SDRAM的操作模式，包括突發(fā)長度、突發(fā)類型、CAS延遲時間、運行模式及寫突發(fā)模式、具體格式如圖2所示，模式寄存器M0－M2用于規(guī)定突發(fā)長度（Burst length）。M3用于規(guī)定突發(fā)類型BT（Burst Type），M3＝0時，突發(fā)類型是連續(xù)的；M3＝1時，突發(fā)類型是交錯的，M4－M6用于規(guī)定CAS延遲的時鐘周期數(shù)，M7－M8規(guī)定運行模式，M9規(guī)定寫突發(fā)模式WB（Write Burst Mode），當(dāng)M9＝0時，按實際編程的突發(fā)長度存取，當(dāng)M9＝1時，則按單個存取單元寫入，但可按實際編程的突發(fā)長度讀出，M10和M11為保留位，可供未來使用。在模式寄存器裝載期間，地址A12（M12）必須被驅(qū)動至低電平，本方案中，模式寄存器的值為ox220h。
初始化操作
SDRAM在上電以后必須先對其進(jìn)行初始化操作，而后才能對其進(jìn)行其他操作。出初始化操作具體步驟如下：
（1）SDRAM在上電以后需要等待100－200μs，在等待時間結(jié)束后還至少要執(zhí)行一條空操作命令；
（2）SDRAM執(zhí)行一條預(yù)充電命令后，要執(zhí)行一條空操作命令，這兩個操作會使所有的存儲單元進(jìn)行一次預(yù)充電，從而使所有陣列中的器件處于待機(jī)狀態(tài)；
（3）SDRAM要執(zhí)行兩條自刷新命令，每一條刷新命令之后，都要執(zhí)行一條空操作命令，這些操作可使SDRAM芯片內(nèi)部的刷新及計數(shù)器進(jìn)入正常運行狀態(tài)，以便SDRAM為模式寄存器編程做好準(zhǔn)備；
（4）執(zhí)行加載模式寄存器（LOAD MODE REGISTER）命令，完成對SDRAM工作模式的設(shè)定。完成以上步驟后，SDRAM即可進(jìn)入正常工作狀態(tài)，以等待外部命令對其進(jìn)行讀、寫、預(yù)充電和刷新等操作。
SDRAM的基本讀寫操作
SDRAM的基本讀操作[3]需要控制線和地址線相配合并發(fā)出一系列命令來完成。SDRAM的讀操作只有突發(fā)模式（Burst Mode）；而寫操作則可以有突發(fā)寫和非突發(fā)寫兩種模式，具體如下：
（1）帶有預(yù)充電的突發(fā)讀寫模式，該模式一次能夠訪問的列地址的最大數(shù)為1、2、4、8；
（2）不帶有機(jī)充電的全頁讀寫、此模式可任意控制一次能夠訪問的列地址的最大數(shù)。 根據(jù)實際情況，本設(shè)計只選取了與本方法相關(guān)的基本操作命令，并沒有設(shè)計通用的控制器，圖3是本方案的SDRAM內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。
Bank乒乓操作
由于Bank內(nèi)的行與行之間具有關(guān)聯(lián)性，因此，當(dāng)其中一個Bank的讀或?qū)懖僮鹘Y(jié)束后，必須執(zhí)行一次
常用的三種尋址方式
K4S561632C器件的常用尋址方法有以下三種：
（1）頁命令中PH（Page Hit）：若尋址的行與所在的Bank的空閑的，即該Bank內(nèi)所有的行是關(guān)閉的，那么此時便可直接發(fā)送行有效命令，這種情況下，數(shù)據(jù)讀取前的總耗時為tRCD＋CL；（tRCD為RAS到CAS的延時；CL為CAS latency）。
（2）頁快速命中PFH（Page Fast Hit）或頁直接命中PDH（Page Direct Hit）：如果要尋址的行正好是在正常讀或?qū)?，即要尋址的行正處于被選通的有效狀態(tài)，那么此時可直接發(fā)送列尋址命令，這種情況下，數(shù)據(jù)讀取前的總耗時僅為CL，這就是所謂的背靠背（Back to Back）尋址；
（3）頁錯失PM（Bage Miss）：若要尋址的行所在的Bank中已經(jīng)有一個行處于激活狀態(tài)（未關(guān)閉），這種現(xiàn)象而稱為尋址沖突，這樣，就必須要進(jìn)行預(yù)充電來關(guān)閉正在工作的行、然后再對其他的行發(fā)送行有效命令，其總耗時為：tRP＋tRCD＋CL。（tRP為Row precharge time）。
在以上三種尋址方式中，PFH是最理想的尋址方式，PM則是最糟糕的尋址方式，實際應(yīng)用中要盡量采用PFH尋址方式而應(yīng)避免采用PM尋址方式。
減少延遲的方法
自動預(yù)充電技術(shù)是一種有效的減少延遲的方法，它通過自動在每次行操作之后進(jìn)行預(yù)充電操作來減少對同一Bank內(nèi)的不同行尋址時發(fā)生沖突的可能性，但是，如果要在正在讀或?qū)懙男型瓿刹僮骱篑R上打開同一Bank的另一行時，仍然存在tRP的延遲。 交錯式控制是另一種更有效的減少延遲的方法，即在一個Bank工作時，對另一個Bank進(jìn)行預(yù)充電或者尋址（此時要尋址的Bank是關(guān)閉的），預(yù)充電與數(shù)據(jù)的傳輸交錯執(zhí)行，當(dāng)訪問下一個Bank時，tRP已過，這樣就可以直接進(jìn)入行有效狀態(tài)，如果配合得比較理想，那么就可以實現(xiàn)無間隔的Bank交錯讀或?qū)?，因此，Bank之間的切換可使存儲效率成倍提高，并能夠大大地提高多組SDRAM協(xié)同工作時的性能。
Bank乒乓操作寫入
一個由行、場同步信號控制的計數(shù)器在預(yù)定的時刻會產(chǎn)生一個控制信號，先發(fā)出激活相應(yīng)Bank的激活命令（ACTIVE），并鎖存相應(yīng)的Bank地址（由BA0、BA1給出）和行地址（由A0-A12給出）。一個周期后再給出列地址和寫入命令；在CL個周期后，便可將所需寫入的數(shù)據(jù)依次送到數(shù)據(jù)總線上，當(dāng)計數(shù)器的計數(shù)周期到達(dá)時，系統(tǒng)會產(chǎn)生一個控制信號，并向SDRAM發(fā)送預(yù)充電（PRECHARGE）命令（如果使用了可編程長度，則在這前要使用突發(fā)終止命令），以關(guān)閉已經(jīng)激活的頁。在下一個視頻行同步信號來臨時，系統(tǒng)將重復(fù)以上操作，并如此循環(huán)下去，具體操作如圖4所示，圖中左邊的一、二、三……為所對應(yīng)的視頻行同步信號，右邊1至511……則代表對應(yīng)的存儲器中的列地址（即是屏幕上對應(yīng)的像素的位置）。
Bank乒乓操作讀出
由行、場同步信號控制的一個計數(shù)器可在預(yù)定的時刻產(chǎn)生一個控制信號，它首先發(fā)出相應(yīng)的Bank激活命令（ACTIVE），并鎖存相應(yīng)的Bank地址（由BA0、BA1給出）和行地址（由A0-A12）給出，然后在一個周期后給出列地址和讀命令，當(dāng)計數(shù)器的計數(shù)周期到達(dá)時，系統(tǒng)會產(chǎn)生一個控制信號，并向SDRAM發(fā)出預(yù)充電（PRECHARGE）命令，以關(guān)閉已經(jīng)激活的頁（如果使用了可編程長度，則在這之前要使用突發(fā)終止命令）。之后，再在下一個視頻行同步信號來臨時重復(fù)以上操作，如此循環(huán)（具體操作如圖5），圖中左邊的一、二、三……為所對應(yīng)的視頻行同步信號，右邊1至511……代表對應(yīng)的存儲器中的列地址（即是屏幕上對應(yīng)的像素的位置。
場乒乓操作
為了SDRAM能正確進(jìn)行讀和寫兩個操作，本方案選用兩場乒乓操作[6]來實現(xiàn)數(shù)據(jù)存取，實際上，就是在不同的時間對兩場輪換進(jìn)行讀或?qū)?，一場讀而另一場寫，其原理如圖6所示。當(dāng)開關(guān)K1在1位置，K2在4位置是時，A寫B(tài)讀；反之，當(dāng)開關(guān)K1在3位置，K2在2位位置時，A讀B寫。如此循環(huán)往復(fù)。
若以場同步信號的二分頻計數(shù)器F/2為讀寫控制信號，假設(shè)SDRAM A在F/2時為1寫、2讀，則SDRAM B在F/2時為2寫、1讀，兩場即為一個場乒乓操作周期，讀寫信號均在場同步信號為高電平時有效，由于存在消隱期，消音所以，將會有一段時間讀寫都無效（讀寫信號都是低電平，此時SDRAM進(jìn)入預(yù)充電狀態(tài)），其總體時序如圖7所示。
結(jié)束語
SDRAM的控制過程雖然很復(fù)雜，但如果根據(jù)實際情況進(jìn)行取舍以滿足實際系統(tǒng)要求，那么，SDRAM的控制過程還是比較簡單的，在實驗中，使用ALTERA公司的Cyclone FPGA器件進(jìn)行設(shè)計時，程序設(shè)計可采用Verilog語句來實現(xiàn)對實時視頻信號的采集，并通過改變計數(shù)器的周期及SDRAM的行、列地址線和時序就可以對任意位置的視頻圖像進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、截取等處理，此外，由于程序設(shè)計采用了化整為零和參數(shù)化設(shè)計思想，因而結(jié)構(gòu)透明、簡單；對于特定容量的SDRAM的特定工作模式而言，該方法只需根據(jù)器件重新設(shè)定參數(shù)而不要重新編寫程序，因而具有較強(qiáng)的通用性。
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