STM32 DCMI 的帶寬與性能介紹

1. 引言

隨著市場對更高圖像質(zhì)量的需求不斷增加，成像技術(shù)持續(xù)發(fā)展，各種新興技術(shù)（例如3D、計算、運動和紅外線）的不斷涌現(xiàn)。如今的成像應(yīng)用對高質(zhì)量、易用性、能耗效率、高集成度、快速上市和成本效益提出了全面要求。為了滿足這些要求，STM32 MCU 內(nèi)置的數(shù)字照相機(jī)接口（DCMI），能夠高效連接并行照相機(jī)模塊。

對于使用STM32 DCMI 開發(fā)相機(jī)應(yīng)用的客戶，經(jīng)常有以下問題：STM32 DCMI 最大支持的像素時鐘是多少？STM32F4/F7/H7/U5 能支持1280×720 的相機(jī)分辨率嗎？最大的幀率是多少？如何判斷所設(shè)計的應(yīng)用產(chǎn)生的帶寬是否能充足？相機(jī)輸出是選擇8 位、10位、12 位、還是14 位？

針對這些問題，本文檔從DCMI 使用的幾個方面，介紹了STM32 DCMI 在連續(xù)抓取模式下帶寬的估算，以及提升性能需要注意的事項?？蛻粼谠O(shè)計相機(jī)應(yīng)用時可以參考。2.STM32 DCMI

STM32 數(shù)字照相機(jī)接口（DCMI）采用同步并行數(shù)據(jù)總線。它可以輕松集成并適應(yīng)相機(jī)的特殊應(yīng)用要求。DCMI 可連接8、10、12 和14 位CMOS 照相機(jī)模塊，并支持多種數(shù)據(jù)格式：8/10/12/14 位逐行視頻、YCbCr4:2:2 逐行視頻、RGB565 逐行視頻、JPEG 等。像素最大支持16 位色深。

2.1. STM32 智能架構(gòu)中的DCMI

DCMI 應(yīng)用需要用幀緩沖區(qū)來存儲采集的圖像。必須根據(jù)圖像大小和傳輸速度使用合適的目標(biāo)存儲區(qū)。在某些應(yīng)用中，必須連接外部存儲器（SDRAM），以便提供較大的數(shù)據(jù)存儲空間。對于支持DMA2D（Chrom-ART Accelerator?控制器）的STM32 系列，也可以用它做色彩空間轉(zhuǎn)換（例如RGB565 至ARGB8888），或使用DMA 從一個存儲區(qū)到另一個存儲區(qū)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。

下面圖1 是STM32F2x7 系列智能架構(gòu)中DCMI 的例子。這里DCMI 通過AHB2 外設(shè)總線連接到AHB 總線矩陣。DMA2 主控訪問DCMI，將DCMI 接收到的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)部RAM 或外部SDRAM 中，具體目標(biāo)位置取決于應(yīng)用。

圖1. STM32F2x7系列智能架構(gòu)中的DCMI從設(shè)備AHB2外設(shè)

2.2. DCMI 最大像素時鐘頻率

STM32 DCMI支持的像素時鐘頻率，與AHB時鐘頻率比值必須小于0.4。具體的像素時鐘頻率最大值要查詢所用STM32的數(shù)據(jù)手冊。下面表1中列出了部分STM32系列DCMI最大像素時鐘頻率及相關(guān)可用資源的信息。如需更詳細(xì)信息，請參考相應(yīng)的參考手冊/數(shù)據(jù)手冊。

表1. DCMI及相關(guān)可用資源

2.3. DCMI 支持的圖像分辨率

STM32 DCMI僅對輸入像素時鐘頻率有硬件限制（DCMI_PCLK / fHCLK 最大0.4），對圖像的分辨率沒有限制。DCMI連續(xù)抓取模式下，圖像分辨率會影響幀率（幀率的大小會影響視頻的流暢度）。在固定的像素時鐘頻率下，高分辨率圖像的帶寬需求較高，對應(yīng)的幀率則會下降。或者說，在相同的圖像分辨率下，提高幀率需要相應(yīng)地提高像素時鐘頻率。例如下表2（摘自三星S5K5CAGA CMOS Image Sensor的數(shù)據(jù)手冊）所示，大家可以從中了解S5K5CAGA的像素頻率、圖像分辨率、幀率的關(guān)系(非RGB888，16位色深)。另外，圖像分辨率主要通過設(shè)置相機(jī)的輸出格式進(jìn)行修改。

表2. S5K5CAGA YUV/RGB565像素時鐘頻率與幀率

對于中高分辨率的圖像，一般采用雙緩沖區(qū)或多緩沖區(qū)模式。這個主要原因是因為DCMI使用的DMA計數(shù)寄存器SxNDTR使用了16位用于計數(shù)。最大0xFFFF，即 65535 ，單位為32位Word，當(dāng)圖像分辨率超過65535 Words（262140字節(jié)）時，則要使用雙緩沖區(qū)或多緩沖區(qū)模式。雙緩沖區(qū)地址由DMA_SxM0AR/DMA_SxM1AR設(shè)定。多緩沖區(qū)時，則需要動態(tài)交替DMA_SxM0AR/DMA_SxM1AR，使之指向圖像緩沖區(qū)的不同存儲位置，相當(dāng)于分塊存儲。

2.4. DCMI 帶寬與性能

使用DCMI的相機(jī)應(yīng)用，使用連續(xù)抓取模式，功能往往是由相機(jī)連續(xù)輸出所攝圖像數(shù)據(jù)流到STM32，STM32 DCMI捕獲視頻流后，再輸出到屏幕顯示（如監(jiān)控）或做圖像數(shù)據(jù)處理、傳輸?shù)?。如果相機(jī)輸出的是高像素高色深高幀率的視頻流，DCMI在接收過程中，如不能及時處理，DCMI FIFO即會產(chǎn)生溢出錯誤(Overrun)，進(jìn)而導(dǎo)致圖像數(shù)據(jù)丟失，幀率下降等問題。

2.4.1. DCMI 帶寬與性能

DCMI帶寬計算公式為：帶寬 = 分辨率 * 色深 * 幀率。

以三星S5K5CAGA為例，如表2中第1行數(shù)據(jù)（這里相機(jī)采用RGB565，16位/像素，8位輸出格式），則QXGA輸出的帶寬需求 =（2048 * 1536）* 2 * 6 ≈ 38MBps。像素時鐘為40MHz，8位輸出，每2個CLK傳輸1個像素數(shù)據(jù)，對應(yīng)的最大輸出能力為40 MBps。則QXGA在40MHz的像素時鐘頻率下是可以以6幀/秒的幀率輸入到DCMI的。DCMI捕獲圖像數(shù)據(jù)流，再由DMA傳輸?shù)綀D像緩沖區(qū)，該例中，圖像緩沖區(qū)（幀緩沖區(qū)）的大小為：2048 * 1546 * 2 ≈ 6.3 MByte。

高像素高色深的圖像，對應(yīng)的圖像緩沖區(qū)較大。當(dāng)MCU內(nèi)置的SRAM不能滿足DCMI圖像緩沖區(qū)需求時，則需要用外部SDRAM來存儲。例如STM32F469 MCU（見表1，第6行數(shù)據(jù)），其FSMC支持的最大頻率為90MHz，寬度32位，則SDRAM的帶寬 = 90 * 4 = 360 MBps，能夠滿足DCMI帶寬的需求。一般，DCMI圖像緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)是需要再次傳輸或由CPU進(jìn)行計算處理的，理論上DCMI輸入的帶寬需求最大不應(yīng)超過SDRAM的帶寬的50%。這里需要注意SDRAM可能存在多個主控（如CPU、DMA、LTDC等）的訪問，如遇到SDRAM性能瓶頸問題，可考慮下列方面進(jìn)行優(yōu)化：

（1）將各主控設(shè)備訪問的存儲器盡量分開，以減少競爭訪問；

（2）將CPU訪問的SDRAM Bank 與DCMI圖像緩沖區(qū)的Bank分開；

（3）將DCMI圖像緩沖區(qū)區(qū)域設(shè)為不可緩沖，CPU 訪問的區(qū)域則可以設(shè)為可緩沖。

對于性能，另外一個重要因素是總線競爭問題。DCMI DMA申請的AHB總線訪問（即使在使用FIFO的情況下）并非長Burst的訪問。如果AHB總線上存在其它長Burst訪問（最大1KByte），會造成DMA延遲訪問DCMI，令其不能及時將DCMI FIFO中的數(shù)據(jù)傳輸出去?？梢哉J(rèn)定：DCMI需要傳輸數(shù)據(jù)時的總線繁忙是造成 其FIFO 溢出錯誤的根源。解決辦法除了直接為設(shè)備分配不同SDRAM之外（將長Burst訪問放在其他SDRAM），還可以考慮在內(nèi)部SRAM增設(shè)DCMI LineBuffer，化零為整，巧妙避開AHB 長Burst 訪問造成的DCMI延遲問題。數(shù)據(jù)流如下：

（1）DCMI（經(jīng)DMA）=> 內(nèi)部SRAM（LineBuffer） ;

（2）內(nèi)部SRAM（LineBuffer）=> 外部SDRAM（圖像Buffer）。

由LineBuffer 到SDRAM的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)傳輸請求，可使用DCMI IT_LINE 中斷(行結(jié)束)觸發(fā)。這里MCU如果是STM32F7/H7系列，還可使用MDMA 充分發(fā)揮AXI總線的優(yōu)勢，但要注意LineBuffer 最好是8字節(jié)的倍數(shù)（64位總線）。

2.4.2. DCMI 圖像大小調(diào)整功能

當(dāng)考慮了上面的措施，仍無法滿足應(yīng)用對高分辨率需求時，用戶可以通過設(shè)置相機(jī)，修改相機(jī)輸出分辨率，配合DCMI調(diào)整圖像大小功能，找到合適的折中方案。DCMI提供的相關(guān)功能如下：

（1）窗口裁剪：

使用寄存器DCMI_CWSTRT指定起始坐標(biāo)；

使用寄存器DCMI_CWSIZE指定窗口大小。

（2）圖像數(shù)據(jù)調(diào)整（詳見寄存器DCMI_CS中LSM/BSM等位域）：

- 行選擇：可選擇2選1，行數(shù)減半；

- 數(shù)據(jù)選擇：字節(jié)流上可進(jìn)行2選1、4選1已經(jīng)4選2 （注意：對于RGB565格式, 只能4選2可選，2選1及4選1會造成色彩數(shù)據(jù)錯亂）。

2.5. DCMI 10/12/14數(shù)據(jù)線輸入

DCMI 支持最多14條數(shù)據(jù)線（D13 - D0），如果將DCMI配置為接收10、12或14位數(shù)據(jù)，DCMI將用2個像素時鐘周期捕獲一個32位數(shù)據(jù)。以12位數(shù)據(jù)寬度為例，DCMI在第1個像素時鐘捕獲12位LSB（忽略D[13 :12]），存于DCMI_DR寄存器低16位字中低12位，高4位（D[15 :12）清零；第2像素時鐘捕獲的12位LSB則存于DCMI_DR高16位字的低12位，高4位（DCMI_DR的[31 : 28]）清零。另外相機(jī)也必須配置為10/12/14位輸出。具體情況則由應(yīng)用決定。

3.小結(jié)

本文通過介紹STM32 DCMI支持的最大像素時鐘頻率，支持的圖像分辨率及與幀率的關(guān)系，進(jìn)而引出DCMI帶寬與性能提升的注意事項。另外附帶了DCMI圖像大小的調(diào)整及10~14數(shù)據(jù)線的簡介，為用戶遇到相關(guān)問題時提供思路參考。

來源：STM32單片機(jī)

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