基于FPGA的高速SDRAM控制器的視頻應(yīng)用

基于FPGA的高速SDRAM控制器的視頻應(yīng)用

0 引言
??? SDRAM(同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器)是一種應(yīng)用廣泛的存儲(chǔ)器，具有容量大、數(shù)據(jù)讀寫(xiě)速度快、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，特別適合那些需要海量存儲(chǔ)器的應(yīng)用領(lǐng)域，例如視頻方面。
??? 這里有一個(gè)視頻項(xiàng)目要求將非標(biāo)準(zhǔn)的ITU-R BT.656視頻格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成VGA格式，直接用于顯示器顯示。如圖1，輸入的視頻格式是非標(biāo)準(zhǔn)的ITU-R BT.656格式，圖像分辨率是1280×1024，幀速是15幀／秒，每一個(gè)像素點(diǎn)是24bit；輸出的視頻格式是VGA格式，圖像分辨率是1280× 1024，幀速是60幀／秒，每一個(gè)像素點(diǎn)還是24bit。

??? 本項(xiàng)目使用SDRAM來(lái)存儲(chǔ)視頻數(shù)據(jù)。在設(shè)計(jì)中，要求能夠?qū)⒁环暾膱D像(1280×1024×24bit)存儲(chǔ)在SDRAM中。并且要求讀寫(xiě)突發(fā)長(zhǎng)度是1280，即一行視頻數(shù)據(jù)(1280×24bit)。SDRAM突發(fā)長(zhǎng)度最高只能達(dá)到256(即SDRAM芯片的一列的長(zhǎng)度)，為此需要使用FPGA專門(mén)實(shí)現(xiàn)一個(gè)SDRAM控制器。在控制器的設(shè)計(jì)中通過(guò)采用切換bank操作、自動(dòng)預(yù)沖、集中刷新等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了這種超長(zhǎng)突發(fā)長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。同樣通過(guò)適當(dāng)?shù)匦薷拇丝刂破?，可以?shí)現(xiàn)任意突發(fā)長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。

1 SDRAM基本特性
??? 本設(shè)計(jì)中采用的SDRAM芯片的型號(hào)是MT48LC2M3282-7。SDRAM的主要操作包括初始化、讀寫(xiě)和刷新操作。SDRAM的初始化操作過(guò)程如下：上電后等待100 μs；然后依次完成預(yù)沖，兩次刷新操作；接下來(lái)就可以配置寄存器了。至此整個(gè)初始化工作結(jié)束，SDRAM進(jìn)入正常工作狀態(tài)。SDRAM進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，就可以根據(jù)命令來(lái)工作。這些命令包括：預(yù)沖(Precharge)和自動(dòng)預(yù)沖(AutoPrecharge)、激活(Active)、讀 (read)、寫(xiě)(write)、自動(dòng)刷新(Auto Refresh)和自刷新(Self Refresh)等。根據(jù)本設(shè)計(jì)的需要，這里詳細(xì)介紹設(shè)計(jì)中相關(guān)的命令：自動(dòng)預(yù)沖、激活、讀寫(xiě)、自動(dòng)刷新。自動(dòng)預(yù)沖命令是SDRAM芯片在一次突發(fā)讀／寫(xiě)結(jié)束后自動(dòng)發(fā)出預(yù)沖命令，將讀寫(xiě)的行關(guān)閉。它與預(yù)沖命令有著相同的功能，但是發(fā)起命令的方式不一樣。預(yù)沖命令是SDRAM控制器發(fā)起的命令，它需要占據(jù) SDRAM的總線，在這段時(shí)間不能讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。而自動(dòng)預(yù)沖命令是SDRAM自動(dòng)的行為，不需要占據(jù)SDRAM的總線。這個(gè)命令是在發(fā)起讀寫(xiě)命令時(shí)設(shè)置的。
??? 激活命令是對(duì)SDRAM的某一行激活，這樣才能對(duì)這一行數(shù)據(jù)發(fā)起讀寫(xiě)操作。讀寫(xiě)命令是對(duì)某一激活的行進(jìn)行突發(fā)讀寫(xiě)操作。具體的突發(fā)讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度在初始化時(shí)配置寄存器時(shí)設(shè)置了。

刷新命令是對(duì)SDRAM內(nèi)的數(shù)據(jù)完成再生的操作，因?yàn)镾DRAM采用電容存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而電容存在漏電的現(xiàn)象，因此需要隔一段時(shí)間對(duì)電容作一次刷新(即重新充電)，一般來(lái)說(shuō)要求64ms內(nèi)將SDRAM的所有行都刷一遍。SDRAM有兩種刷新命令：自動(dòng)刷新和自刷新。自刷新是在芯片處于低功耗狀態(tài)下時(shí)才使用的方式，芯片內(nèi)部自動(dòng)完成刷新操作。自動(dòng)刷新是控制器發(fā)起的刷新操作，它必須在SDRAM沒(méi)有激活行時(shí)才能進(jìn)行刷新操作，而且需要占用一定的時(shí)間(大約 60～70ns)?？刂破骺梢愿鶕?jù)需要選擇在何時(shí)刷新，即定時(shí)刷新，或集中刷新。定時(shí)刷新是隔一段時(shí)間就刷新一次；集中刷新是在某一段空閑時(shí)間內(nèi)連續(xù)刷新若干次。這個(gè)只要保證在64 ms內(nèi)將所有的行都刷一遍即可，具體的刷新方式可以根據(jù)自己的應(yīng)用需要來(lái)設(shè)計(jì)。

2 SDRAM控制器的設(shè)計(jì)
2．1 SDRAM控制器的設(shè)計(jì)思路
??? SDRAM芯片完成一次讀寫(xiě)操作由三個(gè)命令組成：激活、讀／寫(xiě)、預(yù)沖。讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的突發(fā)長(zhǎng)度往往是有限制的，在SDRAM芯片本身提供的突發(fā)長(zhǎng)度最大只能達(dá)到一行的容量(256，即全頁(yè)突發(fā)模式)。這樣當(dāng)一次讀寫(xiě)突發(fā)長(zhǎng)度結(jié)束后，如果需要發(fā)起下一次讀寫(xiě)，就需要發(fā)預(yù)沖命令結(jié)束這一行，然后發(fā)激活命令開(kāi)啟下一行。這樣才能開(kāi)始寫(xiě)下一次數(shù)據(jù)。因此，如果想要連續(xù)的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)，就必須想辦法節(jié)省激活和預(yù)沖命令。
??? 激活命令通過(guò)切換Bank操作來(lái)完成。SDRAM有4個(gè)獨(dú)立的bank，每一個(gè)bank可以同時(shí)允許有一行激活，彼此并不會(huì)相互干擾。這樣的話，在同一時(shí)刻最多可以有4個(gè)行處于激活狀態(tài)。這就為節(jié)約激活時(shí)間提供了解決方案：在突發(fā)讀寫(xiě)一個(gè)bank下的某一行時(shí)，可以在突發(fā)長(zhǎng)度結(jié)束之前提前激活另一個(gè) bank下的某一行。這樣當(dāng)這個(gè)突發(fā)長(zhǎng)度結(jié)束時(shí)就可以直接讀寫(xiě)另一bank中被激活的行。預(yù)沖可以采用自動(dòng)預(yù)沖方式來(lái)完成，不需要額外的預(yù)沖命令。
??? 通過(guò)上述兩種操作方式可以完全實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)突發(fā)長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)，本設(shè)計(jì)將SDRAM設(shè)置成突發(fā)長(zhǎng)度為8，突發(fā)長(zhǎng)度結(jié)束后采用自動(dòng)預(yù)沖方式完成此行的預(yù)沖操作，具體設(shè)想如下：
??? 在寫(xiě)SDRAM時(shí)，先激活Bank0的第一行；發(fā)出帶自動(dòng)預(yù)沖模式的寫(xiě)操作；數(shù)據(jù)開(kāi)始寫(xiě)入這一行內(nèi)；一段時(shí)間后(在突發(fā)長(zhǎng)度結(jié)束之前)將Bank1的第一行激活；在Bank0的寫(xiě)突發(fā)長(zhǎng)度結(jié)束的同時(shí)，發(fā)出寫(xiě)B(tài)ank1的命令，這樣接下來(lái)的數(shù)據(jù)就寫(xiě)入Bank1的第一行中；而由于在寫(xiě)SDRAM的Bank0 時(shí)設(shè)置成自動(dòng)預(yù)沖模式，所以SDRAM會(huì)在Bank0的寫(xiě)操作結(jié)束后自動(dòng)預(yù)沖，經(jīng)過(guò)tRP(預(yù)沖時(shí)間)后，這一Bank自動(dòng)回到idle狀態(tài)。同樣 Bank1處于寫(xiě)突發(fā)長(zhǎng)度時(shí)將Bank2的第一行激活，在Bank1的寫(xiě)突發(fā)長(zhǎng)度結(jié)束的同時(shí)發(fā)出寫(xiě)B(tài)ank2的命令……如此四個(gè)bank輪流工作，將數(shù)據(jù)均勻地分配到4個(gè)bank中。
??? 對(duì)于這種超長(zhǎng)的數(shù)據(jù)突發(fā)讀寫(xiě)，完成一次讀寫(xiě)操作所花費(fèi)的時(shí)間比較多，例如讀寫(xiě)時(shí)鐘是108MHz時(shí)，一次突發(fā)長(zhǎng)度是1280的寫(xiě)操作所花費(fèi)的時(shí)間是11． 6 μs，即在這段時(shí)間內(nèi)SDRAM的數(shù)據(jù)總線是不能被中斷的。因此采用集中刷新是最好的解決辦法。在突發(fā)讀寫(xiě)結(jié)束后，會(huì)有一段比較長(zhǎng)的空閑期(具體時(shí)間長(zhǎng)度根據(jù)視頻數(shù)據(jù)的視頻中行消隱數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)和讀寫(xiě)時(shí)鐘決定)，在這段時(shí)問(wèn)內(nèi)可以集中連續(xù)發(fā)出多個(gè)刷新命令，只需要保證在64ms內(nèi)總的刷新次數(shù)達(dá)到了要求即可。
2．2 SDRAM控制器的實(shí)現(xiàn)
??? 本設(shè)計(jì)中將SDRAM控制器分成4個(gè)子模塊：sdr_master主控模塊、sdr_ctrl命令模塊、sdr_sig譯碼模塊、sdr_data數(shù)據(jù)通路模塊，見(jiàn)圖2。sdr_master主控模塊根據(jù)外部的讀寫(xiě)請(qǐng)求向sdr_ctrl命令模塊提供各種讀寫(xiě)控制信號(hào)；sdr_ctrl命令模塊內(nèi)部的控制狀態(tài)機(jī)會(huì)依此發(fā)出各種SDRAM讀寫(xiě)控制命令；sdr_sig譯碼模塊會(huì)把sdr_ctrl輸出的控制命令譯碼成符合SDRAM接口的信號(hào)。此SDRAM 控制器的設(shè)計(jì)，最復(fù)雜的部分在于如何設(shè)計(jì)SDRAM的工作時(shí)序，即SDRAM何時(shí)激活，何時(shí)讀／寫(xiě)，何時(shí)預(yù)沖，何時(shí)刷新。這些控制除了滿足SDRAM的工作特性外，還要滿足設(shè)計(jì)要求。因此，鑒于SDRAM控制的復(fù)雜性，一般都采用狀態(tài)機(jī)來(lái)控制。本設(shè)計(jì)中sdr_ctrl命令模塊包括兩個(gè)狀態(tài)機(jī)：初始化狀態(tài)機(jī)完成SDRAM的初始化；控制狀態(tài)機(jī)完成SDRAM的正常工作控制。下面分別詳述這兩個(gè)狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)。

??? 初始化狀態(tài)機(jī)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。系統(tǒng)在上電(復(fù)位)后，處于i NOP狀態(tài)；當(dāng)?shù)却?00 μs后，狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到i PRE，發(fā)出預(yù)沖命令；接著跳轉(zhuǎn)到i tRP等待；經(jīng)過(guò)tRP時(shí)間后，狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到i_AR1，發(fā)第一次刷新命令，然后在i_tRFC1等待tRFC時(shí)間后發(fā)第二次刷新命令，再等待tRFC；接下來(lái)轉(zhuǎn)到狀態(tài)i MRS，發(fā)裝載模式字命令，然后等待tMRD時(shí)間后初始化完成，進(jìn)入i_ready狀態(tài)。至此初始化完成，SDRAM芯片就可以正常工作了。

??? 控制狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)跳變見(jiàn)圖4。此狀態(tài)機(jī)是為了滿足超長(zhǎng)數(shù)據(jù)的連讀或連寫(xiě)而特殊設(shè)計(jì)的。上電后處于c_idle狀態(tài)，當(dāng)初始化完成后，控制狀態(tài)機(jī)才能開(kāi)始正常工作。當(dāng)外部要求進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)，會(huì)正式地啟動(dòng)狀態(tài)機(jī)。此時(shí)狀態(tài)機(jī)跳變到c_ACT狀態(tài)，使SDRAM控制器發(fā)出激活命令；接下來(lái)兩個(gè)狀態(tài) c_tRCD1、c_tRCD2是激活等待時(shí)間tRCD；然后狀態(tài)機(jī)根據(jù)外部是讀請(qǐng)求還是寫(xiě)請(qǐng)求，來(lái)決定下一個(gè)狀態(tài)是發(fā)讀命令還是寫(xiě)命令。下面以寫(xiě)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行說(shuō)明，讀數(shù)據(jù)的工作過(guò)程是一樣的。

當(dāng)要求寫(xiě)SDRAM時(shí)，控制狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)由c_tRCD2跳變到c_WR狀態(tài)，發(fā)出寫(xiě)命令。SDRAM控制器會(huì)在發(fā)寫(xiě)命令的同時(shí)將本次突發(fā)數(shù)據(jù)的第一個(gè)數(shù)據(jù)送到總線上，接著是三個(gè)周期的狀態(tài)：c_tDAL1、c_DAL2、c_tDAL3，之后回到c_idle狀態(tài)。這樣完成了寫(xiě)數(shù)據(jù)的一次循環(huán)，剛好需要 8個(gè)周期。在回到c_idle狀態(tài)后即可啟動(dòng)下一次寫(xiě)數(shù)據(jù)傳輸，這時(shí)狀態(tài)機(jī)跳到c_ACT狀態(tài)，發(fā)出激活另一個(gè)bank的某一行的命令，然后經(jīng)過(guò)兩個(gè)周期后，此時(shí)上一次寫(xiě)操作的數(shù)據(jù)突發(fā)長(zhǎng)度剛好結(jié)束。下一個(gè)周期狀態(tài)變成c_WR，發(fā)下一次的寫(xiě)命令，同時(shí)將這一次突發(fā)長(zhǎng)度的第一個(gè)數(shù)據(jù)放到SDRAM數(shù)據(jù)總線上……如此循環(huán)，可以完成長(zhǎng)度是1280的連續(xù)數(shù)據(jù)的寫(xiě)入。這個(gè)循環(huán)如何結(jié)束呢?當(dāng)發(fā)了最后一個(gè)突發(fā)寫(xiě)命令后，狀態(tài)機(jī)回到c_idle時(shí)，即可停止循環(huán)，不再進(jìn)入激活狀態(tài)?？傊ㄟ^(guò)控制這個(gè)狀態(tài)機(jī)可以完成長(zhǎng)度是8的倍數(shù)的連續(xù)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)?？刂茽顟B(tài)機(jī)還有實(shí)現(xiàn)刷新操作的功能，當(dāng)要求對(duì)SDRAM進(jìn)行刷新操作時(shí)，控制狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)會(huì)跳變到c_AR，SDRAM控制器會(huì)依此發(fā)出刷新命令。然后狀態(tài)機(jī)跳變到c_tRFC狀態(tài)等待刷新操作的結(jié)束。當(dāng)刷新操作結(jié)束后，狀態(tài)機(jī)將恢復(fù)到c_idle。這樣就完成了一次刷新操作。如果需要多次刷新，就可以連續(xù)進(jìn)行多次這樣的循環(huán)。
2．3 SDRAM控制器的綜合
??? 本設(shè)計(jì)使用的SDRAM芯片是MT48LC2M3282，F(xiàn)PGA芯片是cyclone的EP1C6Q240C6。綜合工具是QuartusII 6．0。綜合的結(jié)果是邏輯單元使用了170個(gè)，占總資源的3％;工作頻率最高可以達(dá)到240．10 MHz，滿足項(xiàng)目要求。

3 代碼的仿真測(cè)試
??? 本設(shè)計(jì)的仿真工具是Modelsim6.1f，部分仿真測(cè)試波形見(jiàn)圖5。圖中描述了讀一行數(shù)據(jù)的時(shí)序圖，在開(kāi)始突發(fā)寫(xiě)數(shù)據(jù)后，SDRAM的數(shù)據(jù)總線sdr_DQ上的數(shù)據(jù)沒(méi)有被中斷。這個(gè)表示整個(gè)設(shè)計(jì)達(dá)到了能夠支持超長(zhǎng)數(shù)據(jù)突發(fā)讀寫(xiě)功能，能滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)
??? 本文介紹了一種實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)數(shù)據(jù)突發(fā)讀寫(xiě)的設(shè)計(jì)。此設(shè)計(jì)采用切換Bank操作節(jié)約了激活命令所花費(fèi)的時(shí)間；采用自動(dòng)預(yù)沖命令節(jié)約了預(yù)沖命令所花費(fèi)的時(shí)間；采用集中刷新完成了足夠的刷新操作。通過(guò)對(duì)上面操作的組合設(shè)計(jì)，能夠很好地完成超長(zhǎng)數(shù)據(jù)的突發(fā)讀寫(xiě)。在設(shè)計(jì)中，成功地實(shí)現(xiàn)了突發(fā)長(zhǎng)度是1280的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)，滿足了項(xiàng)目需求。