基于FPGA的MIMO視頻緩存器的設計與實(shí)現

　　隨著(zhù)高速處理器的不斷發(fā)展，嵌入式系統應用的領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，高速大容量緩存器被廣泛應用于音視頻系統中，然而專(zhuān)用的高速大容量緩存芯片價(jià)格過(guò)于昂貴，傳統SDRAM在帶寬上已經(jīng)逐漸無(wú)法滿(mǎn)足應用要求，特別是對于多路數據多進(jìn)多出時(shí)，兩者都無(wú)法很好的滿(mǎn)足要求，這里提出一種利用雙沿隨機動(dòng)態(tài)存儲器(DDR SDRAM)結合外加專(zhuān)用電路的設計方案。

　　設計應用在基于DVB-C的EOAM調制器系統中，該系統的基本要求能夠緩存集合多路視頻TS流的千兆IP數據，并對IP數據進(jìn)行多路高速分發(fā);輸入為2個(gè)千兆網(wǎng)口，輸出至RF射頻接口的數百個(gè)數據分發(fā)通道。

　　在以往系統設計中，有人提出使用普通SDRAM芯片作為物理緩存單元，但是由于該類(lèi)芯片工作速度限制，在基本位寬條件下，達不到上述系統的高帶寬要求。若不提高芯片速度，單純提高位寬，由于各位數據的延時(shí)不同，且SDRAM采用的3.3 V電壓的上升下降沿過(guò)渡較寬，將導致芯片數據采樣的穩定時(shí)間窗變窄，數據傳輸可靠性下降;同時(shí)由于位寬增大，引腳變多，造成設計復雜度的直線(xiàn)上升。本文使用DDR SDRAM作為存儲單元，在不改變系統時(shí)鐘的情況下，利用時(shí)鐘雙沿傳輸數據，將同頻率芯片的傳輸帶寬在SDRAM基礎上提高了一倍，很好地滿(mǎn)足了高帶寬緩存的需要。

　　1 DDR存儲器簡(jiǎn)介

　　DDR存儲器即雙數據率同步動(dòng)態(tài)隨機訪(fǎng)問(wèn)存儲器，它和早期的單數據率同步動(dòng)態(tài)隨機訪(fǎng)問(wèn)存儲器一樣，內部存儲單元采用電容充電來(lái)保存數據，因此必須不斷地對電容充電以保持數據，這就是所謂的“刷新”。SDRAM的數據總線(xiàn)在每個(gè)時(shí)鐘的上升沿存取數據，而DDR SDRAM則在每個(gè)時(shí)鐘的上升沿和下降沿都存取數據，這樣在數據總線(xiàn)寬度和時(shí)鐘頻率不變的條件下數據總線(xiàn)帶寬得到了一倍的提升。

　　2 系統設計

　　設計采用Xilinx公司的Sptan3a-dsp 1800a作為主控制器，使用Micron公司的MT64V32X16芯片作為存儲介質(zhì)，最大存儲容量為512M。本系統的邏輯部分由仲裁模塊、輸入緩存模塊、調度判決模塊、地址轉換模塊和DDR接口控制模塊等部分組成，結構框圖如圖1所示。

　　核心控制器中的仲裁模塊產(chǎn)生相應的控制命令。完成上電后的初始化復位，并在系統運行過(guò)程中，針對工作優(yōu)先級，發(fā)出刷新指令、寫(xiě)操作指令和讀操作指令;DDR接口控制模塊根據DDR芯片操作的基本時(shí)序，實(shí)現核心控制器指令的針對物理芯片的信息傳輸;南于DDR芯片具有不可實(shí)時(shí)操作特性，必須使用內部輸入緩存RAM進(jìn)行基本的實(shí)時(shí)數據緩沖;而地址轉換模塊、調度判決模塊則和內部輸入緩存RAM配合，完成對DDR芯片內部存儲空間的映射工作。

　　3 DDR核心控制器設計

　　DDR存儲器是一種指令相對復雜的高速存儲芯片，它在上電后必須完成初始化才能進(jìn)行其它操作;而且不支持單周期讀寫(xiě)操作，只支持周期為2、4、8突發(fā)讀寫(xiě)操作。另外，DDR芯片由于其電容特性，數據保存在其中是不穩定的，需要在一定時(shí)間周期內對其進(jìn)行刷新操作，以保證數據不會(huì )丟失，因此，在DDR操作過(guò)程中有數十條指令。但在本設計中DDR接口控制器采用的是Xilinx提供的DDR IP，這樣核心控制器中的仲裁模塊只需要使用空閑、初始化、讀操作和寫(xiě)操作等4個(gè)指令就可以完成對DDR-SDRAM的操作，大大降低了設計難度。由于設計目的在于消除來(lái)自網(wǎng)絡(luò )對IP數據的抖動(dòng)，并且最終要將IP數據分發(fā)至512個(gè)通道，大大超出了以往設計對DDR的使用需求，因此本文在這里提出圖1所示設計，即可完成DDR存儲器對高速大容量多通道的設計應用：

　　(1)輸入緩存模塊

　　輸入緩存器由一個(gè)RAM加外部邏輯電路構成，緩沖已輸入但還沒(méi)來(lái)得及寫(xiě)到DDR中的TS分組凈荷。待仲裁模塊發(fā)出允許寫(xiě)入的信號后，再將輸入緩存中的數據包傳遞給仲裁模塊，并且釋放相應的存儲空間。根據DDR的工作模式和DVB-C特性，輸入緩存的數據傳輸以TS包為單位，實(shí)現192個(gè)字節連續突發(fā)傳輸。

　　(2)調度判決模塊

　　調度判決模塊接收讀請求隊列信息，實(shí)現讀數據時(shí)將同一個(gè)bank內數據量最大的FIFO進(jìn)行調度出隊列的判決。該模塊保存各個(gè)通道FIFO當前的數據包數量。

　　(3)地址轉換模塊

　　地址轉換模塊負責實(shí)現通道號和DDR SDRAM芯片內部存儲空間的映射。該模塊中保存的變量包括各個(gè)通道在DDR SDRAM中的塊起始地址、塊終止地址、FIFO頭偏移量、FIFO尾偏移量。

　　(4)仲裁模塊

　　仲裁模塊產(chǎn)生相應控制命令，針對工作優(yōu)先級，發(fā)出空閑指令、初始化指令、寫(xiě)操作指令和讀操作指令。

　　4 資源消耗結構的改進(jìn)

　　4.1 標準的MIMO結構的緩存器

　　針對多路數據的緩存，設計了多進(jìn)多出的緩存結構，對物理通道輸入的數據流首先進(jìn)行識別與分發(fā)，給每一路節目流配置一個(gè)輸入緩存FIFO和一個(gè)輸出緩存FIFO，結構如圖2所示。

　　這種結構的優(yōu)點(diǎn)在于，對每一路節目，都有單獨的緩存空間對其進(jìn)行緩存，各路節目相對獨立，互不干擾;在節目路數較少的情況下，該結構效率較高，便于擴展。

　　但上述結構存在的問(wèn)題在于，如果節目路數過(guò)多，輸入數據流量過(guò)大，會(huì )導致FPGA內部緩存數量成幾何上升，極大的消耗FPGA資源，降低運行時(shí)鐘頻率，造成系統綜合后速度下降。

　　4.2 端口固定的MIMO結構緩存器

　　由于標準的MIMO結構存在的問(wèn)題，難以達到本文所需的應用要求，因此存這里提出的一種改進(jìn)型設計。這種設計不像標準的MIMO那樣對DDR進(jìn)行邏輯結構上的緩存，而是通過(guò)固定DDR高位地址，采用物理結構緩存的方式進(jìn)行快速存儲，如圖3所示。

　　在這種結構中，外部流處理模塊先將數據流與該數據流存儲的通道號分發(fā)至緩存RAM和地址轉換模塊，再由調度模塊調度轉換后的對應地址指針，將其發(fā)送到DDR上對應的物理存儲空間而在輸出端口也以同樣的方式只針對物理輸出端口，這就要求有一個(gè)讀請求隊列，以便將要讀的目的通道提前發(fā)送。在這里調度模塊能夠實(shí)時(shí)檢測各個(gè)通道使用情況，并將數據流快速分發(fā)。這種結構對于EQAM這種一個(gè)物理IP端口輸入幾百路流的設備，可以極大地降低FPGA內部RAM的消耗，且對DDR影響也較小，不會(huì )過(guò)多降低系統性能。而且在前端數據緩存中直接使用RAM而不使用FIFO更有利于同步數據流和對應地址。

　　5 系統測試

　　為了測試本設計止確性，將上述模塊嵌入EQAM系統后，接收來(lái)至網(wǎng)絡(luò )的IP視頻數據，通過(guò)碼流分析儀檢測數據結果后發(fā)現，經(jīng)DDR緩存后數據流包計數器沒(méi)有錯誤，沒(méi)有出現丟包情況，碼流分析儀自帶播放器能夠清晰連續播放節日，如圖3所示。但在節目轉換過(guò)程中由于節目不同會(huì )產(chǎn)生PAT錯誤，該錯誤不影響節目正常播放。

　　6 結束語(yǔ)

　　本文在這里提出了一種改進(jìn)MIMO結構DDR緩存器，并對核心控制模塊實(shí)現功能進(jìn)行了描述，討論了改進(jìn)后的設計對系統的影響。最終測試結果也表明，本設計完全可以應用于多通道大容量的視頻設備的緩存中。