適用于圖像檢測壓縮系統(tǒng)的內存存取方式

為了兼具可擴展性和數(shù)據(jù)處理速度，對于各種應用，如圖像數(shù)據(jù)偵錯、視頻數(shù)據(jù)壓縮、音頻數(shù)據(jù)增益、馬達控制等，可編程數(shù)據(jù)處理模塊(Programmable Data Processing Module)是時勢所需。
在處理的數(shù)據(jù)量越來越大的情況下，所需的內存容量隨之增大，以往的先進先出隊列(First-In-First-Out, FIFO)無法滿足其高速度與大容量的需求，許多硬件工程師開始考慮使用DRAM的可能性。

DRAM具備可快速存取、可依照設計者規(guī)劃使用空間、大容量等優(yōu)點，但是內存數(shù)組需要重新充電，而雙倍數(shù)據(jù)速率同步動態(tài)隨機存取內存( DDR SDRAM)有數(shù)據(jù)相位同步等不易控制的問題，不如FIFO使用方便。因此，在使用FPGA進行設計時，搭配其供貨商所提供的RAM控制IP，再加上硬件工程師所開發(fā)的控制邏輯，是當前數(shù)據(jù)控制存取的發(fā)展趨勢。

本文的構想是在此DRAM控制IP上增加一層包裝(Wrapper)，使之擁有FIFO接口，具有多端口內存存取控制(MPMA: Multi-Port Memory Access)功能。既可以保持大容量、存取速度快等優(yōu)點，也可增添FIFO接口容易的優(yōu)點。在設計過程中，DRAM空間可隨設計師的定義而擁有更高的彈性。如圖1所示，此DRAM擁有兩個寫入端口和兩個讀出端口。對于每個寫入端口，其數(shù)據(jù)可以從起始地址連續(xù)寫入，直到結束地址之后，再從起始地址繼續(xù)寫入，形成循環(huán)式(Circular)寫入方式。對于每個讀出端口，其數(shù)據(jù)的讀出可使用類似于循環(huán)寫入的方式，而且只要寫入到內存的數(shù)據(jù)數(shù)量比讀出的數(shù)據(jù)數(shù)量多，即是合理的類FIFO存取方式。

圖1  有兩個寫端口和兩個讀端口的DRAM控制槽

MPMA如何應用于

數(shù)據(jù)處理模塊

在許多需要對大量信息進行運算處理的應用中，需要極大的緩存，與一個4KB FIFO的價格相比，買一個32Mb的DRAM更合適些。不過，其復雜的存取控制是一大問題。所以在編寫FPGA的HDL算法時，可利用FPGA供貨商所提供的IP構成解決方案。

對于所需處理的數(shù)據(jù)量重復性較高的應用，例如圖2所示的圖像原始數(shù)據(jù)用圖像偵錯處理算法來偵測P4點是否錯誤，需要將它周圍的8個點當作參考數(shù)據(jù)來對比，若使用FIFO，可能無法同時存取到此三條線(Line)的數(shù)據(jù)，所以使用DRAM存取大量的數(shù)據(jù)。

圖2 圖像原始數(shù)據(jù)點數(shù)組

由于DRAM的控制方式比較復雜，每存取一次就要重新計算其欲存取的數(shù)據(jù)地址，根據(jù)其數(shù)據(jù)地址的連續(xù)性，可在圖像原始數(shù)據(jù)寫入后，分為三個端口以連續(xù)地址的方式讀出。如圖2所示，第一端口連續(xù)讀出P0、P1、P2，第二端口連續(xù)讀出P4、P5、P6，第三端口連續(xù)讀出P8、P9、P10，則可以完成P5點偵錯的計算；而在計算P6點是否出錯時，第一端口只要再讀出P3，第二端口讀出P7，第三端口讀出P11，就可以完成計算前數(shù)據(jù)的完備，大大提高了數(shù)據(jù)的使用率，采用連續(xù)讀取的機制，不用在每次計算前計算數(shù)據(jù)地址，只要每一端口均先連續(xù)讀取數(shù)據(jù)即可完成，也降低了DRAM控制的復雜度。

MPMA的實現(xiàn)

下面以Altera MegaCore IP Generator產(chǎn)生的DDR DRAM控制器為例，再加上自創(chuàng)的Wrapper邏輯，構建一進(32位進)一出(8位出)的MPMA存取端口，圖3為其方塊架構圖。

圖3 一進一出的MPMA存取端口

在此架構中，Altera DDR DRAM 控制與寫/讀wrapper間的數(shù)據(jù)帶寬為64位，而通過wrapper邏輯，更可自由地編寫輸入與輸出帶寬。在寫/讀wrapper中，數(shù)據(jù)的地址計算采用累進式累加方式，其存取接口類似于FIFO的存取，因而更容易實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的存取。

每個wrapper中有一個小容量的FIFO、封裝(packing)/反封裝(un-packing)機制以及地址累進計數(shù)器。FIFO用于調節(jié)使用者接口與DRAM頻域的差異；封裝/反封裝機制用于將輸入/輸出接口數(shù)據(jù)總線寬度調整至與DRAM控制IP接口相同的水平，以利于提高寫入/讀出DRAM數(shù)據(jù)的效率。地址累進計數(shù)器是每個wrapper的DRAM地址產(chǎn)生器，只要寫入wrapper里的計數(shù)器數(shù)字大于讀出wrapper里的計數(shù)器，則所讀出的必為先前已經(jīng)寫入DRAM里的合法數(shù)據(jù)，不會存取到錯誤地址的數(shù)據(jù)。

MPMA提高效率

以圖2的點P5為例，若不使用wrapper，則此點數(shù)據(jù)會被寫入1次，而在運算的時候被讀出1(當作主要運算點)+8(當作參考數(shù)據(jù)點)次。當一幅有n點數(shù)據(jù)的圖像需要做偵錯處理時，則需要n*(1+1+8)次的數(shù)據(jù)存取，還不包括地址計算所造成的延遲。

當使用一進三出的MPMA wrapper時，P5點只需要被寫入1次，而在運算的時候被讀出3(3個讀wrapper各需要讀取1次)次，則同樣的n點數(shù)據(jù)作完偵錯處理只需要n*(1+3)次的數(shù)據(jù)存取，并且采用累進式的DRAM地址計算，不需要花費額外的延遲時間。由此可知，MPMA設計可提高2倍以上的數(shù)據(jù)存取效率。

結語

本文提出一種架構，在FPGA供貨商所提供的IP核上添加寫入/讀出wrapper，具有數(shù)據(jù)的高度重復使用率與容易操作的類FIFO接口等優(yōu)點。設計師更可自行定義MPMA wrapper輸入/輸出端口的個數(shù)與數(shù)據(jù)總線寬度，以提高數(shù)據(jù)使用率。

凌華科技已將此技術應用于大數(shù)據(jù)量的圖像采集/處理/傳輸模塊，尤其是線陣掃描(Line-Scan)圖像采集系統(tǒng)，因為在檢測時，需要在FPGA上執(zhí)行圖像數(shù)據(jù)計算的算法，一方面需要大容量的圖像數(shù)據(jù)緩存，另一方面需要反復讀取圖像數(shù)據(jù)，則此技術是必需的。■