基于DDR DRAM控制器實(shí)現(xiàn)MPMA存取輸入/輸出端口的設(shè)計(jì)

為了兼具可擴(kuò)展性和數(shù)據(jù)處理速度，對(duì)于各種應(yīng)用，如圖像數(shù)據(jù)偵錯(cuò)、視頻數(shù)據(jù)壓縮、音頻數(shù)據(jù)增益、馬達(dá)控制等，可編程數(shù)據(jù)處理模塊（Programmable Data Processing Module）是時(shí)勢(shì)所需。

在處理的數(shù)據(jù)量越來(lái)越大的情況下，所需的內(nèi)存容量隨之增大，以往的先進(jìn)先出隊(duì)列（First-In-First-Out， FIFO）無(wú)法滿(mǎn)足其高速度與大容量的需求，許多硬件工程師開(kāi)始考慮使用DRAM的可能性。

DRAM具備可快速存取、可依照設(shè)計(jì)者規(guī)劃使用空間、大容量等優(yōu)點(diǎn)，但是內(nèi)存數(shù)組需要重新充電，而雙倍數(shù)據(jù)速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存（ DDR SDRAM）有數(shù)據(jù)相位同步等不易控制的問(wèn)題，不如FIFO使用方便。因此，在使用FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，搭配其供貨商所提供的RAM控制IP，再加上硬件工程師所開(kāi)發(fā)的控制邏輯，是當(dāng)前數(shù)據(jù)控制存取的發(fā)展趨勢(shì)。

本文的構(gòu)想是在此DRAM控制IP上增加一層包裝（Wrapper），使之擁有FIFO接口，具有多端口內(nèi)存存取控制（MPMA： Multi-Port Memory Access）功能。既可以保持大容量、存取速度快等優(yōu)點(diǎn)，也可增添FIFO接口容易的優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，DRAM空間可隨設(shè)計(jì)師的定義而擁有更高的彈性。如圖1所示，此DRAM擁有兩個(gè)寫(xiě)入端口和兩個(gè)讀出端口。對(duì)于每個(gè)寫(xiě)入端口，其數(shù)據(jù)可以從起始地址連續(xù)寫(xiě)入，直到結(jié)束地址之后，再?gòu)钠鹗嫉刂防^續(xù)寫(xiě)入，形成循環(huán)式（Circular）寫(xiě)入方式。對(duì)于每個(gè)讀出端口，其數(shù)據(jù)的讀出可使用類(lèi)似于循環(huán)寫(xiě)入的方式，而且只要寫(xiě)入到內(nèi)存的數(shù)據(jù)數(shù)量比讀出的數(shù)據(jù)數(shù)量多，即是合理的類(lèi)FIFO存取方式。

圖1 有兩個(gè)寫(xiě)端口和兩個(gè)讀端口的DRAM控制槽

MPMA如何應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理模塊

在許多需要對(duì)大量信息進(jìn)行運(yùn)算處理的應(yīng)用中，需要極大的緩存，與一個(gè)4KB FIFO的價(jià)格相比，買(mǎi)一個(gè)32Mb的DRAM更合適些。不過(guò)，其復(fù)雜的存取控制是一大問(wèn)題。所以在編寫(xiě)FPGA的HDL算法時(shí)，可利用FPGA供貨商所提供的IP構(gòu)成解決方案。

對(duì)于所需處理的數(shù)據(jù)量重復(fù)性較高的應(yīng)用，例如圖2所示的圖像原始數(shù)據(jù)用圖像偵錯(cuò)處理算法來(lái)偵測(cè)P4點(diǎn)是否錯(cuò)誤，需要將它周?chē)?個(gè)點(diǎn)當(dāng)作參考數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)比，若使用FIFO，可能無(wú)法同時(shí)存取到此三條線(xiàn)（Line）的數(shù)據(jù)，所以使用DRAM存取大量的數(shù)據(jù)。

圖2 圖像原始數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)組

由于DRAM的控制方式比較復(fù)雜，每存取一次就要重新計(jì)算其欲存取的數(shù)據(jù)地址，根據(jù)其數(shù)據(jù)地址的連續(xù)性，可在圖像原始數(shù)據(jù)寫(xiě)入后，分為三個(gè)端口以連續(xù)地址的方式讀出。如圖2所示，第一端口連續(xù)讀出P0、P1、P2，第二端口連續(xù)讀出P4、P5、P6，第三端口連續(xù)讀出P8、P9、P10，則可以完成P5點(diǎn)偵錯(cuò)的計(jì)算；而在計(jì)算P6點(diǎn)是否出錯(cuò)時(shí)，第一端口只要再讀出P3，第二端口讀出P7，第三端口讀出P11，就可以完成計(jì)算前數(shù)據(jù)的完備，大大提高了數(shù)據(jù)的使用率，采用連續(xù)讀取的機(jī)制，不用在每次計(jì)算前計(jì)算數(shù)據(jù)地址，只要每一端口均先連續(xù)讀取數(shù)據(jù)即可完成，也降低了DRAM控制的復(fù)雜度。

MPMA的實(shí)現(xiàn)

下面以Altera MegaCore IP Generator產(chǎn)生的DDR DRAM控制器為例，再加上自創(chuàng)的Wrapper邏輯，構(gòu)建一進(jìn)（32位進(jìn)）一出（8位出）的MPMA存取端口，圖3為其方塊架構(gòu)圖。

圖3 一進(jìn)一出的MPMA存取端口

在此架構(gòu)中，Altera DDR DRAM 控制與寫(xiě)/讀wrapper間的數(shù)據(jù)帶寬為64位，而通過(guò)wrapper邏輯，更可自由地編寫(xiě)輸入與輸出帶寬。在寫(xiě)/讀wrapper中，數(shù)據(jù)的地址計(jì)算采用累進(jìn)式累加方式，其存取接口類(lèi)似于FIFO的存取，因而更容易實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的存取。

每個(gè)wrapper中有一個(gè)小容量的FIFO、封裝（packing）/反封裝（un-packing）機(jī)制以及地址累進(jìn)計(jì)數(shù)器。FIFO用于調(diào)節(jié)使用者接口與DRAM頻域的差異；封裝/反封裝機(jī)制用于將輸入/輸出接口數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度調(diào)整至與DRAM控制IP接口相同的水平，以利于提高寫(xiě)入/讀出DRAM數(shù)據(jù)的效率。地址累進(jìn)計(jì)數(shù)器是每個(gè)wrapper的DRAM地址產(chǎn)生器，只要寫(xiě)入wrapper里的計(jì)數(shù)器數(shù)字大于讀出wrapper里的計(jì)數(shù)器，則所讀出的必為先前已經(jīng)寫(xiě)入DRAM里的合法數(shù)據(jù)，不會(huì)存取到錯(cuò)誤地址的數(shù)據(jù)。

MPMA提高效率

以圖2的點(diǎn)P5為例，若不使用wrapper，則此點(diǎn)數(shù)據(jù)會(huì)被寫(xiě)入1次，而在運(yùn)算的時(shí)候被讀出1（當(dāng)作主要運(yùn)算點(diǎn)）+8（當(dāng)作參考數(shù)據(jù)點(diǎn)）次。當(dāng)一幅有n點(diǎn)數(shù)據(jù)的圖像需要做偵錯(cuò)處理時(shí)，則需要n*（1+1+8）次的數(shù)據(jù)存取，還不包括地址計(jì)算所造成的延遲。

當(dāng)使用一進(jìn)三出的MPMA wrapper時(shí)，P5點(diǎn)只需要被寫(xiě)入1次，而在運(yùn)算的時(shí)候被讀出3（3個(gè)讀wrapper各需要讀取1次）次，則同樣的n點(diǎn)數(shù)據(jù)作完偵錯(cuò)處理只需要n*（1+3）次的數(shù)據(jù)存取，并且采用累進(jìn)式的DRAM地址計(jì)算，不需要花費(fèi)額外的延遲時(shí)間。由此可知，MPMA設(shè)計(jì)可提高2倍以上的數(shù)據(jù)存取效率。

結(jié)語(yǔ)

本文提出一種架構(gòu)，在FPGA供貨商所提供的IP核上添加寫(xiě)入/讀出wrapper，具有數(shù)據(jù)的高度重復(fù)使用率與容易操作的類(lèi)FIFO接口等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)師更可自行定義MPMA wrapper輸入/輸出端口的個(gè)數(shù)與數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度，以提高數(shù)據(jù)使用率。

凌華科技已將此技術(shù)應(yīng)用于大數(shù)據(jù)量的圖像采集/處理/傳輸模塊，尤其是線(xiàn)陣掃描（Line-Scan）圖像采集系統(tǒng)，因?yàn)樵?a target="_blank">檢測(cè)時(shí)，需要在FPGA上執(zhí)行圖像數(shù)據(jù)計(jì)算的算法，一方面需要大容量的圖像數(shù)據(jù)緩存，另一方面需要反復(fù)讀取圖像數(shù)據(jù)，則此技術(shù)是必需的。

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