摘要：簡要介紹了SDRAM工作原理并認(rèn)真研究了Altera提供的SDRAM控制器，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)使用需要加以修改簡化，設(shè)計(jì)了對(duì)修改后控制器進(jìn)行操作的狀態(tài)機(jī)。采用全頁突發(fā)讀寫模式，每次讀/寫后自動(dòng)刷新，省掉了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的刷新計(jì)數(shù)控制邏輯。整個(gè)設(shè)計(jì)采用VHDL實(shí)現(xiàn)，已在實(shí)際系統(tǒng)中成功使用。

　　1、引言

　　在實(shí)時(shí)視頻圖像處理系統(tǒng)中，由于要對(duì)視頻圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，而視頻數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)量大，實(shí)時(shí)性要求高，所以需要高速大容量的存儲(chǔ)器作為圖像數(shù)據(jù)的緩存。SDRAM（Synchronous Dynamic RAM，同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）相比于SRAM（Static RAM，靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）等存儲(chǔ)器具有容量大、速度快、體積小、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，因此成為圖像處理系統(tǒng)中常用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。但SDRAM的控制邏輯比較復(fù)雜，對(duì)時(shí)序要求也十分嚴(yán)格，所以需要設(shè)計(jì)專門的SDRAM控制器以完成和SDRAM芯片的接口。本文在對(duì)Altera提供的SDRAM控制器IP核適當(dāng)修改的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)圖1的圖像處理系統(tǒng)中SDRAM的有效控制。

　　在以上系統(tǒng)中，Camera Link接口的相機(jī)送出的高速 LVDS視頻信號(hào)經(jīng) Channel Link接收芯片 DS90CR288接收轉(zhuǎn)化為 TTL電平后送給FPGA，再由通過 FPGA實(shí)現(xiàn)的 SDRAM控制器將有效像素?cái)?shù)據(jù)寫入SDRAM。另外，通過 SDRAM將有效像素?cái)?shù)據(jù)讀入 FPGA并實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的處理算法后送視頻編碼芯片 ADV7123進(jìn)行 D/A轉(zhuǎn)換，顯示。

　　2、SDRAM的工作特性

　　本系統(tǒng)中用到的是Hynix公司的HY57V283220-7型號(hào)的SDRAM芯片，其容量為128Mbit（ 4 Banks x 1M x 32Bit），下面將以它為例簡要介紹SDRAM的主要工作特性。

　　2.1主要管腳信號(hào)

　　SDRAM芯片的主要管腳信號(hào)有控制信號(hào)，地址信號(hào)，數(shù)據(jù)信號(hào)，且以上信號(hào)的輸入或輸出均與工作時(shí)鐘同步。

　　控制信號(hào)主要有：片選信號(hào)（/CS），時(shí)鐘使能信號(hào)（CKE），輸入輸出使能信號(hào)（DQM0～DQM3），讀寫控制命令字（/CAS、/RAS、/WE）。通過/CAS、/RAS、/WE的各種邏輯組合，可產(chǎn)生各種控制命令(見表1)。

　　地址信號(hào)有：頁地址選擇信號(hào)（BA0、BA1），行、列地址選擇信號(hào)（A0～A12）。通過分時(shí)復(fù)用決定地址是行地址還是列地址。在讀寫操作中，在地址線上依次給出頁地址、行地址、列地址，終確定存儲(chǔ)單元地址。

　　數(shù)據(jù)信號(hào)（DQ0～DQ31），雙向數(shù)據(jù)信號(hào)，且有效與否受輸入輸出使能信號(hào)（DQM0～DQM3）控制。

　　2.2 主要操作命令

　　要正確地對(duì)SDRAM進(jìn)行操作，需要輸入多種命令：包括模式寄存器設(shè)置、預(yù)充電、行激活、列讀寫、自動(dòng)刷新、突發(fā)終止、空操作等命令。具體見下表。

　　注：H表示高電平1，L表示低電平0，X表示電平為任意。

　　2.3 模式寄存器的設(shè)置

　　不同于其他的存儲(chǔ)器，在SDRAM芯片內(nèi)部還有一個(gè)邏輯控制單元，并且有一個(gè)模式寄存器為其提供控制參數(shù)，每次上電后都要先對(duì)這個(gè)控制邏輯進(jìn)行初始化。初始化過程中關(guān)鍵的階段就是模式寄存器的設(shè)置。通過模式寄存器設(shè)置命令對(duì)模式寄存器進(jìn)行編程，這組信息將會(huì)一直保存在模式寄存器中，直到他再次被編程或器件掉電為止；他規(guī)定了SDRAM的操作模式包括：突發(fā)長度（Burst Length）、突發(fā)類型（Burst Type）、CAS潛伏期（CAS Latency）、運(yùn)行模式（Operate Mode）及寫突發(fā)模式（Write Burst）。具體格式如表2所示。

　　具體設(shè)置值及其意義請(qǐng)參見有關(guān)資料和所使用SDRAM的芯片資料，這里不再詳述。

　　3.SDRAM控制器的實(shí)現(xiàn)

　　3.1 Altera發(fā)布的SDRAM控制器簡介

　　Altera公司提供了對(duì)SDRAM進(jìn)行控制的控制器，簡化了對(duì)SDRAM的控制。此設(shè)計(jì)的框圖如圖2所示。

　　從圖2中可以看出，SDRAM控制器由4個(gè)模塊組成：SDRAM控制器模塊，控制接口模塊，命令模塊和數(shù)據(jù)通道模塊。SDRAM控制器模塊是頂層模塊，例化3個(gè)低等級(jí)模塊，將其連成一個(gè)整體?？刂平涌谀K從外部接收命令和相關(guān)的存儲(chǔ)地址，同時(shí)對(duì)命令解碼后傳送給命令模塊，命令模塊從控制接口模塊接收命令和地址，生成合適的命令給SDRAM器件，數(shù)據(jù)通路模塊處理讀寫命令時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸操作?？梢钥闯?，通過使用Altera的控制器，屏蔽了大部分復(fù)雜的時(shí)序，大大簡化了對(duì)SDRAM的控制。詳細(xì)的介紹請(qǐng)參看Altera發(fā)布的有關(guān)文檔。

　　該控制器屬通用控制器，功能全面，支持突發(fā)長度為1，2，4，8的突發(fā)讀寫模式且讀寫后控制器內(nèi)部自動(dòng)預(yù)充電，內(nèi)部自動(dòng)刷新；也支持全頁突發(fā)讀寫模式但是讀寫后不自動(dòng)預(yù)充電，不支持內(nèi)部自動(dòng)刷新，需要通過CMD[2:0]發(fā)送預(yù)充電命令和刷新命令。由于在本文所涉及的系統(tǒng)中，SDRAM用于圖像的緩存，希望每次讀寫能夠針對(duì)一行進(jìn)行，所以采用全頁突發(fā)模式，根據(jù)需要簡化了控制器的邏輯，節(jié)約了資源。

　　3.2 本系統(tǒng)對(duì)SDRAM控制的具體實(shí)現(xiàn)

　　要想實(shí)現(xiàn)對(duì)SDRAM的高速讀寫僅僅有控制器是不夠的?？刂破鞯墓δ苁呛喕涌冢⒉恢苯犹峁?duì)SDRAM進(jìn)行讀寫的功能。要真正實(shí)現(xiàn)對(duì)SDRAM的讀寫，關(guān)鍵的技術(shù)在于如何設(shè)計(jì)合理高效的狀態(tài)機(jī)。下文將對(duì)本文所設(shè)計(jì)的狀態(tài)機(jī)做詳細(xì)介紹。

　　本文的設(shè)計(jì)包括四個(gè)狀態(tài)機(jī)。一個(gè)主狀態(tài)機(jī)，一個(gè)初始化狀態(tài)機(jī)，一個(gè)讀狀態(tài)機(jī)，一個(gè)寫狀態(tài)機(jī)。１）系統(tǒng)上電復(fù)位后首先進(jìn)入初始化狀態(tài)機(jī)：先后發(fā)出的命令有 nop1->precharge->precharge_nop->refresh1->refresh1_nop->refreh2->refresh2_nop-> load_mode->load_mode_nop->load_reg2->load_reg2_nop->load_reg1->load_reg1_nop->nop2（注：以上帶有nop的命令均指nop命令，下同），初始化完成后該狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)就一直停留在nop2，它是一個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)機(jī)，不需要特別的控制信號(hào)。２）主狀態(tài)機(jī)用來控制讀寫狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)換（如圖３）。其中read和write各代表一個(gè)狀態(tài)機(jī)。寫狀態(tài)機(jī)的工作過程如下：

　　首先在FPGA里開一個(gè)容量大小為一行的FIFO,當(dāng)FIFO為讀空的時(shí)候相機(jī)輸出的每行有效像素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)入FIFO，當(dāng)該行數(shù)據(jù)全部進(jìn)入FIFO且相機(jī)進(jìn)入消隱后，開始執(zhí)行讀狀態(tài)機(jī)，讀空FIFO里的數(shù)據(jù)存入SDRAM里指定的位置，且讀空后發(fā)送一個(gè)突發(fā)停止命令，發(fā)送一個(gè)預(yù)充電命令，發(fā)送一個(gè)刷新命令以保持SDRAM的數(shù)據(jù)。需要注意的是，這里的precharge1經(jīng)控制器解碼后給SDRAM的是突發(fā)停止命令，precharge2解碼后得到的才是預(yù)充電命令。該狀態(tài)機(jī)先后發(fā)出的命令有nop1->write->write_nop->precharge1->precharge1_nop->precharge2->precharge2_nop->refresh->refresh_nop->nop2。讀狀態(tài)機(jī)與寫狀態(tài)機(jī)的操作類似，這里不再贅述。

　　4.結(jié)論

　　本設(shè)計(jì)針對(duì)系統(tǒng)的具體使用需要對(duì)Altera提供的SDR SDRAM控制器進(jìn)行簡化修改，采用全頁突發(fā)讀寫模式，每次讀寫完后進(jìn)行自動(dòng)刷新，因此不需要設(shè)計(jì)專門的刷新計(jì)數(shù)器來控制刷新命令，進(jìn)一步簡化了設(shè)計(jì)，速度上能夠達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求。在StratixII系列FPGA EP2S15F672C5上已經(jīng)成功得以實(shí)現(xiàn)，經(jīng)SDRAM的緩存能夠正確顯示從相機(jī)出來的圖像，完成了上述圖像處理板的關(guān)鍵設(shè)計(jì)，為整個(gè)項(xiàng)目的順利完成創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟(jì)效益。 本文創(chuàng)新點(diǎn)：采用全頁突發(fā)讀寫模式，加快了讀寫速度；狀態(tài)轉(zhuǎn)移簡單可行，不需要專門的刷新控制邏輯。

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