基于FPGA的高分辨率視頻圖像處理的SDRAM控制器設計

　　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控制器的設計方法。通過設置SDRAM的工作狀態(tài)，使其工作在猝發(fā)模式。在視頻時序信號控制下，用多行連續(xù)的SDRAM存儲空間，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，在像素時鐘控制下，實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)實時的存儲和讀取。通過改變相關參數(shù)，能對所有VESA分辨率視頻流進行操作。具有通用性強、系統(tǒng)復雜度低、可靠性高、可擴展等特點。在某型號的機載大屏顯示器系統(tǒng)中，用該SDRAM控制器實現(xiàn)了圖像的翻轉等功能，也驗證了該控制器的實用性。

　　0引言

　　隨著人們對視頻圖像的清晰度和細節(jié)顯示要求的不斷提高，高分辨率、高bit位的視頻標準相繼被推出。

　　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。在常用的存儲器中，SDRAM具有大容量和高速度的特點，并且價格也比較便宜，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，不可避免地會涉及到用FPGA實現(xiàn)SDRAM控制器的方法。但由于SDRAM的操作方式較復雜，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控制器的設計也已經(jīng)被越來越多的視頻圖像處理人士關注。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上進行的開發(fā)。

　　在此平臺上采用VHDL語言開發(fā)了SDRAM的控制器。

　　該控制器實現(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、預充電等操作。以MICRON公司的MT48LC4M32B2TG型號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鐘穩(wěn)定后，經(jīng)過100μs的延時，執(zhí)行一次空操作;然后進行預充電操作，使所有BANK都進入空閑狀態(tài);再然后執(zhí)行兩個自動刷新命令;執(zhí)行完自動刷新后進入模式設置狀態(tài)，通過地址總線A[11：0]發(fā)送數(shù)據(jù)來設置模式寄存器。模式寄存器設置定義如圖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?，和所要訪問的起始列。在讀命令發(fā)出后，要等待CAS延遲時間，有效數(shù)據(jù)才會出現(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模式和猝發(fā)模式，猝發(fā)模式根據(jù)猝發(fā)長度分為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)結束。

　　1.3刷新

　　由于SDRAM的內(nèi)部電路特點，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)，直到接收到預充電命令。

　　1.5預充電

　　預充電命令用于關閉特定BANK中的某一行，或者所有BANK.

　　各種操作命令對應的SDRAM管腳電平狀態(tài)如表1所示。

　　2 SDRAM控制器的設計

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

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

　　對于不能被256整除的列數(shù)如1 600，就要采用控制猝發(fā)長度的方式，為了控制方便采用8行SDRAM空間存儲一行視頻數(shù)據(jù)(200×8=1 600)。標準的VESA分辨率都可以用此方式存儲。在SDRAM控制器中設置了SDRAM的猝發(fā)長度的選擇功能，只要修改需要的猝發(fā)長度即可，不要重新設計代碼。

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