一種基于FPGA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(guò)設置SDRAM的工作狀態(tài)，使其工作在猝發(fā)模式。在視頻時(shí)序信號控制下，用多行連續的SDRAM存儲空間，存取視頻數據。并在數據接口部分增加FIFO，緩存一行視頻，在像素時(shí)鐘控制下，實(shí)現視頻數據實(shí)時(shí)的存儲和讀取。通過(guò)改變相關(guān)參數，能對所有VESA分辨率視頻流進(jìn)行操作。具有通用性強、系統復雜度低、可靠性高、可擴展等特點(diǎn)。在某型號的機載大屏顯示器系統中，用該SDRAM控制器實(shí)現了圖像的翻轉等功能，也驗證了該控制器的實(shí)用性。

0引言

隨著(zhù)人們對視頻圖像的清晰度和細節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。

造成了數據處理速度和數據處理量極大的增加，也給數據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(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中，不可避免地會(huì )涉及到用FPGA實(shí)現SDRAM控制器的方法。但由于SDRAM的操作方式較復雜，常見(jiàn)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(lái)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A(yíng)ltera的StratixⅡ系列FPGA EP2S60F1020I4上進(jìn)行的開(kāi)發(fā)。

在此平臺上采用VHDL語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了SDRAM的控制器。

該控制器實(shí)現了最高分辨率為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(xiě)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在上電后必須執行初始化操作，主要流程為：首先在電源電壓和時(shí)鐘穩定后，經(jīng)過(guò)100μs的延時(shí)，執行一次空操作;然后進(jìn)行預充電操作，使所有 BANK都進(jìn)入空閑狀態(tài);再然后執行兩個(gè)自動(dòng)刷新命令;執行完自動(dòng)刷新后進(jìn)入模式設置狀態(tài)，通過(guò)地址總線(xiàn)A[11：0]發(fā)送數據來(lái)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(xiě)操作

首先激活具體的BANK和行;然后發(fā)出讀或寫(xiě)命令，和所要訪(fǎng)問(wèn)的起始列。在讀命令發(fā)出后，要等待CAS延遲時(shí)間，有效數據才會(huì )出現在數據總線(xiàn)上。在寫(xiě)命令發(fā)出后，有效數據立即出現在數據總線(xiàn)上。讀寫(xiě)命令可分為單個(gè)模式和猝發(fā)模式，猝發(fā)模式根據猝發(fā)長(cháng)度分為1，2，4，8和全頁(yè)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的內部電路特點(diǎn)，必須執行刷新命令，以防止數據丟失。要求64 ms內至少刷新4 096次。

1.4激活

在讀/寫(xiě)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(guān)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主要用作數據緩存，也就是FPGA對SDRAM操作最頻繁的為讀命令、寫(xiě)命令，在這兩個(gè)命令中間插著(zhù)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(diǎn)像素都要大于1 280個(gè)，數據量非常的龐大。

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SDRAM進(jìn)行操作。對于SDRAM MT48LC4M32B2TG地址為A[7：0]，猝發(fā)操作的最大長(cháng)度為256.也就是說(shuō)為了存儲和讀出一行的視頻數據要對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)。

對于不能被256整除的列數如1 600，就要采用控制猝發(fā)長(cháng)度的方式，為了控制方便采用8行SDRAM空間存儲一行視頻數據(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(cháng)度的選擇功能，只要修改需要的猝發(fā)長(cháng)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(jìn)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(wú)輸入，為了保證最后存儲的數據不丟失，進(jìn)入自刷新模式。一當控制器檢測到HSY無(wú)變化就會(huì )啟用自刷新模式，周期對SDRAM刷新。

SDRAM控制器主狀態(tài)機如圖2所示。

在主狀態(tài)機完成初始化狀態(tài)，進(jìn)入等待狀態(tài)后，等待讀/寫(xiě)命令和視頻數據輸入信號。如果無(wú)視頻輸入，狀態(tài)機始終在等待狀態(tài)，并周期性的對SDRAM進(jìn)行刷新，直到有視頻和讀/寫(xiě)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(cháng)度為256，在每?jì)尚胁僮髦g都要進(jìn)行激活、讀/寫(xiě)命令、猝發(fā)終止、刷新等操作。由于讀/寫(xiě)數據都使用的是像素時(shí)鐘的頻率，這樣總個(gè) FPGA系統只有一個(gè)時(shí)鐘域，能保證整個(gè)系統完全按照同步系統來(lái)設計，能提高整個(gè)系統的可靠性。這樣會(huì )帶來(lái)一個(gè)問(wèn)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據的讀/寫(xiě)工作，這是不能滿(mǎn)足要求的。為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要借用行同步、前廊和后廊的時(shí)間，但是DEN無(wú)效后不傳輸視頻數據的，為了解決這個(gè)矛盾在SDRAM控制器和數據流輸入/輸出接口之間要分別設計兩個(gè)FIFO，深度大于一行的視頻數據，采用乒乓操作保證視頻流的流暢。

3 SDRAM控制器應用實(shí)例

在某型號的機載大屏顯示器系統中，視頻圖像處理系統中使用該SDRAM控制器進(jìn)行了調試，實(shí)現FPGA對SDRAM的控制，完成相應的視頻處理算法和實(shí)現了圖像的翻轉功能。此部分系統簡(jiǎn)要框圖如圖4所示。

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

為了完成FPGA內部的視頻處理算法和圖像翻轉的功能，在FPGA外部掛了兩組SDRAM，實(shí)現了乒乓操作，保證了系統的處理速度。處理后的視頻經(jīng)過(guò)LVDS信號轉化，輸出到液晶屏上顯示。

對于左右翻轉在FPGA內部采用雙口RAM進(jìn)行操作能夠輕易實(shí)現。而圖像的上下翻轉，由于涉及到一幀數據的處理，需要經(jīng)過(guò)外部緩存SDRAM實(shí)現。在采用上述SDRAM控制器的基礎上，控制SDRAM的讀方式就能實(shí)現，在將視頻數據寫(xiě)入SDRAM的時(shí)候，寫(xiě)地址從第一行按順序寫(xiě)入。讀的過(guò)程相反，要從最后行開(kāi)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(guò)的行的地址減去存一行視頻需要的SDRAM的物理行數，在一行視頻數據沒(méi)有讀完前要從當前行不斷的自增。如1 280×1 024的視頻數據，共需要5 120(5×1 024)SDRAM行存一幀數據。要上下翻轉輸出圖像，首先要輸出視頻數據的第1 024行，也就是要從SDRAM的5 115行開(kāi)始按順序讀出，讀完第5 120行后，SDRAM地址轉到5 110行讀視頻流的第1 023行，如此類(lèi)推，直到讀完整幀的視頻數據。該視頻處理系統與顯示效果如圖5所示。

4結論

該設計針對高分辨率視頻圖像處理的SDR SDRAM控制器的設計，采用統一像素時(shí)鐘進(jìn)行系統操作，降低系統的復雜度，提高系統的可靠性;通過(guò)寫(xiě)修改相關(guān)參數，能夠適應所有VESA分辨率的視頻處理，通用性強;具有自刷新功能，在無(wú)外部信號輸入情況下能夠自動(dòng)刷新，保證最后存儲數據不會(huì )丟失;能夠通過(guò)增加外部模塊，控制讀寫(xiě)地址，實(shí)現圖像翻轉功能。此控制器在A(yíng)l-tera的StratixⅡ系列FPGA EP2S60F1020I4平臺上，成功實(shí)現各種視頻處理功能，驗證了此控制器的實(shí)用性。