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(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。