一種基于FPGA的SDRAM控制器設(shè)計(jì)

本文介紹了一種基于FPGA的用于高分辨率視頻圖像處理的SDRAM控制器的設(shè)計(jì)方法。通過設(shè)置SDRAM的工作狀態(tài)，使其工作在猝發(fā)模式。在視頻時(shí)序信號(hào)控制下，用多行連續(xù)的SDRAM存儲(chǔ)空間，存取視頻數(shù)據(jù)。并在數(shù)據(jù)接口部分增加FIFO，緩存一行視頻，在像素時(shí)鐘控制下，實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的存儲(chǔ)和讀取。通過改變相關(guān)參數(shù)，能對(duì)所有VESA分辨率視頻流進(jìn)行操作。具有通用性強(qiáng)、系統(tǒng)復(fù)雜度低、可靠性高、可擴(kuò)展等特點(diǎn)。在某型號(hào)的機(jī)載大屏顯示器系統(tǒng)中，用該SDRAM控制器實(shí)現(xiàn)了圖像的翻轉(zhuǎn)等功能，也驗(yàn)證了該控制器的實(shí)用性。

0引言

隨著人們對(duì)視頻圖像的清晰度和細(xì)節(jié)顯示要求的不斷提高，高分辨率、高bit位的視頻標(biāo)準(zhǔn)相繼被推出。

造成了數(shù)據(jù)處理速度和數(shù)據(jù)處理量極大的增加，也給數(shù)據(jù)緩存的容量和控制提出較高的要求。在常用的存儲(chǔ)器中，SDRAM具有大容量和高速度的特點(diǎn)，并且價(jià)格也比較便宜，在視頻圖像處理中被廣泛的用于圖像緩存。在基于FPGA的高分辨率視頻圖像處理系統(tǒng)中，不可避免地會(huì)涉及到用FPGA實(shí)現(xiàn)SDRAM控制器的方法。但由于SDRAM的操作方式較復(fù)雜，常見的控制器支持的視頻分辨率普遍都不高。在高分辨率的視頻圖像已經(jīng)普及的今天，支持高分辨率的SDRAM控制器的設(shè)計(jì)也已經(jīng)被越來越多的視頻圖像處理人士關(guān)注。本文介紹的這種控制器，采用的是Micron公司的MT48LC4M32B2TG(1M×32×4 banks)SDR SDRAM，在Altera的StratixⅡ系列FPGA EP2S60F1020I4上進(jìn)行的開發(fā)。

在此平臺(tái)上采用VHDL語言開發(fā)了SDRAM的控制器。

該控制器實(shí)現(xiàn)了最高分辨率為1 600×1 200@60 Hz的視頻流的緩存和圖像翻轉(zhuǎn)的功能。

1 SDRAM基本操作

SDRAM主要包括初始化、讀/寫操作、刷新、激活、預(yù)充電等操作。以MICRON公司的MT48LC4M32B2TG型號(hào)SDRAM為例分別介紹。

1.1初始化

SDRAM在上電后必須執(zhí)行初始化操作，主要流程為：首先在電源電壓和時(shí)鐘穩(wěn)定后，經(jīng)過100μs的延時(shí)，執(zhí)行一次空操作;然后進(jìn)行預(yù)充電操作，使所有 BANK都進(jìn)入空閑狀態(tài);再然后執(zhí)行兩個(gè)自動(dòng)刷新命令;執(zhí)行完自動(dòng)刷新后進(jìn)入模式設(shè)置狀態(tài)，通過地址總線A[11：0]發(fā)送數(shù)據(jù)來設(shè)置模式寄存器。模式寄存器設(shè)置定義如圖1所示。

1.2讀/寫操作

首先激活具體的BANK和行;然后發(fā)出讀或?qū)懨睿退L問的起始列。在讀命令發(fā)出后，要等待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。在寫命令發(fā)出后，有效數(shù)據(jù)立即出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上。讀寫命令可分為單個(gè)模式和猝發(fā)模式，猝發(fā)模式根據(jù)猝發(fā)長(zhǎng)度分為1，2，4，8和全頁模式。猝發(fā)操作可用猝發(fā)終止命令(BURST TERMINATE)結(jié)束。

1.3刷新

由于SDRAM的內(nèi)部電路特點(diǎn)，必須執(zhí)行刷新命令，以防止數(shù)據(jù)丟失。要求64 ms內(nèi)至少刷新4 096次。

1.4激活

在讀/寫命令之前都要發(fā)出激活命令，激活特定BANK中的某一行。激活后此行一直處于有效狀態(tài)，直到接收到預(yù)充電命令。

1.5預(yù)充電

預(yù)充電命令用于關(guān)閉特定BANK中的某一行，或者所有BANK.

各種操作命令對(duì)應(yīng)的SDRAM管腳電平狀態(tài)如表1所示。

2 SDRAM控制器的設(shè)計(jì)

在視頻圖像處理中SDRAM主要用作數(shù)據(jù)緩存，也就是FPGA對(duì)SDRAM操作最頻繁的為讀命令、寫命令，在這兩個(gè)命令中間插著激活、預(yù)充電、猝發(fā)終止、刷新等命令。對(duì)于高分辨率的視頻流，分辨率都在1 280×1 024以上，也就是每行的點(diǎn)像素都要大于1 280個(gè)，數(shù)據(jù)量非常的龐大。

為了降低SDRAM的操作時(shí)鐘的頻率和提高視頻處理的實(shí)時(shí)性，采用猝發(fā)的模式對(duì)SDRAM進(jìn)行操作。對(duì)于SDRAM MT48LC4M32B2TG地址為A[7：0]，猝發(fā)操作的最大長(zhǎng)度為256.也就是說為了存儲(chǔ)和讀出一行的視頻數(shù)據(jù)要對(duì)SDRAM的多行進(jìn)行操作。如 1 280×1 024分辨率，需要5行SDRAM空間(256×5=1 280)。

對(duì)于不能被256整除的列數(shù)如1 600，就要采用控制猝發(fā)長(zhǎng)度的方式，為了控制方便采用8行SDRAM空間存儲(chǔ)一行視頻數(shù)據(jù)(200×8=1 600)。標(biāo)準(zhǔn)的VESA分辨率都可以用此方式存儲(chǔ)。在SDRAM控制器中設(shè)置了SDRAM的猝發(fā)長(zhǎng)度的選擇功能，只要修改需要的猝發(fā)長(zhǎng)度即可，不要重新設(shè)計(jì)代碼。

為了保證SDRAM的刷新要求，在每一行的SDRAM操作完成后就進(jìn)行一次刷新操作，此操作經(jīng)由輸入的視頻行同步信號(hào)(HSY)的觸發(fā)，如果外部視頻信號(hào)突然無輸入，為了保證最后存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不丟失，進(jìn)入自刷新模式。一當(dāng)控制器檢測(cè)到HSY無變化就會(huì)啟用自刷新模式，周期對(duì)SDRAM刷新。

SDRAM控制器主狀態(tài)機(jī)如圖2所示。

在主狀態(tài)機(jī)完成初始化狀態(tài)，進(jìn)入等待狀態(tài)后，等待讀/寫命令和視頻數(shù)據(jù)輸入信號(hào)。如果無視頻輸入，狀態(tài)機(jī)始終在等待狀態(tài)，并周期性的對(duì)SDRAM進(jìn)行刷新，直到有視頻和讀/寫命令輸入。這部分的狀態(tài)圖如圖3所示。

由于猝發(fā)的最大長(zhǎng)度為256，在每?jī)尚胁僮髦g都要進(jìn)行激活、讀/寫命令、猝發(fā)終止、刷新等操作。由于讀/寫數(shù)據(jù)都使用的是像素時(shí)鐘的頻率，這樣總個(gè) FPGA系統(tǒng)只有一個(gè)時(shí)鐘域，能保證整個(gè)系統(tǒng)完全按照同步系統(tǒng)來設(shè)計(jì)，能提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。這樣會(huì)帶來一個(gè)問題，要想僅僅在視頻的有效時(shí)間，即DEN 高電平部分完成一行視頻數(shù)據(jù)的讀/寫工作，這是不能滿足要求的。為了解決這個(gè)問題，需要借用行同步、前廊和后廊的時(shí)間，但是DEN無效后不傳輸視頻數(shù)據(jù)的，為了解決這個(gè)矛盾在SDRAM控制器和數(shù)據(jù)流輸入/輸出接口之間要分別設(shè)計(jì)兩個(gè)FIFO，深度大于一行的視頻數(shù)據(jù)，采用乒乓操作保證視頻流的流暢。

3 SDRAM控制器應(yīng)用實(shí)例

在某型號(hào)的機(jī)載大屏顯示器系統(tǒng)中，視頻圖像處理系統(tǒng)中使用該SDRAM控制器進(jìn)行了調(diào)試，實(shí)現(xiàn)FPGA對(duì)SDRAM的控制，完成相應(yīng)的視頻處理算法和實(shí)現(xiàn)了圖像的翻轉(zhuǎn)功能。此部分系統(tǒng)簡(jiǎn)要框圖如圖4所示。

該系統(tǒng)輸入的為多路DVI信號(hào)，輸入視頻分辨率均為1 280×1 024，DVI信號(hào)經(jīng)過DVI解碼后輸入FPGA.

為了完成FPGA內(nèi)部的視頻處理算法和圖像翻轉(zhuǎn)的功能，在FPGA外部掛了兩組SDRAM，實(shí)現(xiàn)了乒乓操作，保證了系統(tǒng)的處理速度。處理后的視頻經(jīng)過LVDS信號(hào)轉(zhuǎn)化，輸出到液晶屏上顯示。

對(duì)于左右翻轉(zhuǎn)在FPGA內(nèi)部采用雙口RAM進(jìn)行操作能夠輕易實(shí)現(xiàn)。而圖像的上下翻轉(zhuǎn)，由于涉及到一幀數(shù)據(jù)的處理，需要經(jīng)過外部緩存SDRAM實(shí)現(xiàn)。在采用上述SDRAM控制器的基礎(chǔ)上，控制SDRAM的讀方式就能實(shí)現(xiàn)，在將視頻數(shù)據(jù)寫入SDRAM的時(shí)候，寫地址從第一行按順序?qū)懭?。讀的過程相反，要從最后行開始讀。

由于SDRAM的一行容量不能裝下整行的視頻信息，所以讀的行地址要求每次從讀過的行的地址減去存一行視頻需要的SDRAM的物理行數(shù)，在一行視頻數(shù)據(jù)沒有讀完前要從當(dāng)前行不斷的自增。如1 280×1 024的視頻數(shù)據(jù)，共需要5 120(5×1 024)SDRAM行存一幀數(shù)據(jù)。要上下翻轉(zhuǎn)輸出圖像，首先要輸出視頻數(shù)據(jù)的第1 024行，也就是要從SDRAM的5 115行開始按順序讀出，讀完第5 120行后，SDRAM地址轉(zhuǎn)到5 110行讀視頻流的第1 023行，如此類推，直到讀完整幀的視頻數(shù)據(jù)。該視頻處理系統(tǒng)與顯示效果如圖5所示。

4結(jié)論

該設(shè)計(jì)針對(duì)高分辨率視頻圖像處理的SDR SDRAM控制器的設(shè)計(jì)，采用統(tǒng)一像素時(shí)鐘進(jìn)行系統(tǒng)操作，降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)的可靠性;通過寫修改相關(guān)參數(shù)，能夠適應(yīng)所有VESA分辨率的視頻處理，通用性強(qiáng);具有自刷新功能，在無外部信號(hào)輸入情況下能夠自動(dòng)刷新，保證最后存儲(chǔ)數(shù)據(jù)不會(huì)丟失;能夠通過增加外部模塊，控制讀寫地址，實(shí)現(xiàn)圖像翻轉(zhuǎn)功能。此控制器在Al-tera的StratixⅡ系列FPGA EP2S60F1020I4平臺(tái)上，成功實(shí)現(xiàn)各種視頻處理功能，驗(yàn)證了此控制器的實(shí)用性。