原创 基于SDRAM的视频处理器设计与实现

摘要：在认真研究了SDRAM内部的独立存储体(Bank)作用的基础上，提出了一种基于SDRAM的视频处理器的设计方案；该方案是通过Bank乒乓操作和场乒乓操作来实现的；利用该设计方案能够实现视频图像的旋转、截取、平移等实时视频操作和处理。

关键词：场乒乓操作；Bank乒乓操作；状态机；SDRAM；视频处理器

引言

在信息处理中，特别是实时视频图像处理中，通常都要对实时视频图像进行处理，而这首先必须设计大容量的存储器。同步动态随机存储器SDRAM虽然有价格低廉、容量大等优点，但因SDRAM的控制结构复杂，常用的方法是设计SDRAM通用控制器，这使得很多人不得不放弃使用SDRAM而使用价格昂贵的SRAM。为此，笔者在研究有关文献的基础上，根据具体情况提出一种独特的方法，实现了对SDRAM的控制，并通过利用FPGA控制数据存取的顺序来实现对数字视频图像的旋转、截取、平移等实时处理。SDRAM的控制原理，如图1所示。

SDRAM基本操作原理

本文以三星公司的SDRAM器件K4S561632C为例来说明SDRAM的工作原理。

SDRAM的结构特点
存储器的最初结构为线性，它在任何时刻，地址线中都只能有一位有效。设容量为N×M的存储器有S₀～S_n-1条地址线；当容量增大时，地址选择线的条数也要线性增多。利用地址译码虽然可有效地减少地址选择线的条数，但这种存储器的长宽比太大，显然，这在工业上是无法实现的。而且由于连线的延时与连线的长度成正比，这样的设计会使存储器的存取速度很慢。为了解决这个问题，现在常用的存储器都是将存储单元设计成阵列形状，使其长宽比接近1:1。这样，电路就必须增加一个列地址译码器，才能选出正确的存储单元。这样，整个存储器的地址线被分为行地址线和列地址线，行地址线要将要选择执行读或写操作的行，而列地址线则可从被选中的一行中再选出一个用于真正执行读或写操作的存储单元。

SDRAM的行地址线和列地址线是分时复用的，即地址线要分两次送出，先送行地址线，再送列地址线。这样可进一步减少地址线的数量、提高器件的性能，但寻址过程会由此变得复杂。新型的SDRAM的容量一般比较大，如果还采用简单的阵列结构，就会使存储器的字线和位线的长度、内部寄生电容及寄生电阻都变得很大，从而使整个存储器的存取速度严重下降。实际上，现在SDRAM一般都以Bank(存储体或存储块)为组织，来将SDRAM分为很多独立的小块；然而由Bank地址线BA控制Bank之间的选择；SDRAM的行、列地址线贯穿所有的Bank；每个Bank的数据位宽同整个存储器的相同。这样，Bank内的字线和位线的长度就可被限制在合适的范围内，从而加快存储器单元的存取速度。另外，BA也可以使被选中的Bank处于正常工作模式，而使没有被选中的Bank工作在低功耗模式下，这样还可以降低SDRAM的功耗。

为了减少MOS管的数量、降低功耗、提高集成度和存储容量，SDRAM都是利用其内部电容存储信息。由于电容的放电作用，必须每隔一段时间给电容充电才能使存储在电容里的数据信息不丢失，这就是刷新过程。这种机制使SDRAM的控制过程变得更加复杂，从而给应用带来难度。

三星公司的SDRAM(K4S561632C)的外部同步时钟速率可在一定的频率范围内连续变化，最高频率可达到133MHz；每块SDRAM内含四个独立的Bank；它的基本存储单元都是按照阵列排列的，它的数据位宽和整个存储器的位宽相同，同时支持多种读写模式；所有的输入信号均以时钟的上升沿为基准，这使得地址、控制和数据输入到缓冲器的时间可保持一致且建立和保持的时间很小；该器件使用完全流水线型内部结构；另外，它还具有突发长度可编程、延迟可编程等优点。这些优点使得K4S561632C能广泛地应用于宽频带、高性能存储器应用系统。

SDRAM的基本信号
SDRAM的基本信号可以分成以下几类：
(1)控制信号：包括片选(CS)、同步时钟(CLK)、时钟有效(CLKEN)、读写选择(WE)、数据有效(DQM)等；
(2)地址选择信号：包括行地址选择(RAS)、列地址选择(CAS)、行/列地址线(SA0～SA12)，分时复用、Bank块地址线(BA0～BA1)；
(3)数据信号：包括双向数据端口(DQ0～DQ15)、接收数据有效信号(DQM)控制等。DQM为低时，写入/读出有效。

对SDRAM的基本命令
要正确地对SDRAM进行操作，就需要输入多种命令：包括模式寄存器设置、预充电、激活、读写、自动刷新、自我刷新、突发停止、空操作等命令。SDRAM内部的状态会根据表1的命令进行转移。其中，命令COM={CS#;RAS#;CAS#;WE#}。

模式寄存器的规定
利用模式寄存器(Mode Register)可通过装载模式寄存器命令(LOAD MODE REGISTER)进行编程，这组信息将会一直保存在模式寄存器中，直到它再次被编程或器件掉电为止；它规定了SDRAM的操作模式；包括突发长度、突发类型、CAS延迟时间、运行模式及写突发模式。具体格式如图2所示，模式寄存器M0～M2用于规定突发长度(Burst length)。M3用于规定突发类型BT(Burst Type)，M3=0时，突发类型是连续的；M3=1时，突发类型是交错的。M4～M6用于规定CAS延迟的时钟周期数。M7～M8规定运行模式。M9规定写突发模式WB(Write Burst Mode)，当M9=0时，按实际编程的突发长度存取；当M9=1时，则按单个存储单元写入，但可按实际编程的突发长度读出。M10和M11为保留位，可供未来使用。在模式寄存器装载期间，地址A12(M12)必须被驱动至低电平。本方案中，模式寄存器的值为ox220h。

初始化操作
SDRAM在上电以后必须先对其进行初始化操作，而后才能对其进行其它操作。初始化操作具体步骤如下：
(1)SDRAM在上电以后需要等待100～200μs。在等待时间结束后还至少要执行一条空操作命令；
(2)SDRAM执行一条预充电命令后，要执行一条空操作命令；这两个操作会使所有的存储单元进行一次预充电，从而使所有阵列中的器件处于待机状态；
(3)SDRAM要执行两条自刷新命令，每一条刷新命令之后，都要执行一条空操作命令；这些操作可使SDRAM芯片内部的刷新计数器进入正常运行状态，以便SDRAM为模式寄存器编程做好准备；
(4)执行加载模式寄存器(LOAD MODE REGISTER)命令，完成对SDRAM工作模式的设定。

完成以上步骤后，SDRAM即可进入正常工作状态，以等待外部命令对其进行读、写、预充电和刷新等操作。

SDRAM的基本读写操作
SDRAM的基本读操作需要控制线和地址线相配合并发出一系列命令来完成。SDRAM的读操作只有突发模式(Burst Mode)；而写操作则可以有突发写和非突发写两种模式，具体如下：
(1)带有预充电的突发读写模式，该模式一次能够访问的列地址的最大数为1、2、4、8；
(2)不带有预充电的全页读写，此模式可任意控制一次能够访问的列地址的最大数。

根据实际情况，本设计只选取了与本方法相关的基本操作命令，并没有设计通用的控制器。图3是本方案的SDRAM内部状态转移图。

Bank乒乓操作

由于Bank内的行与行之间具有关联性，因此，当其中一个Bank的读或写操作结束后，必须执行一次预充电命令以关闭正在操作的行，预充电命令执行后，会有一个tRP的延时，延时完成后才能向同一Bank行(或其它行)发出新的激活命令。由于Bank之间是相互独立的，因此，在一个Bank进行正常的读或写操作时，可以对另外几个Bank进行预充电或空操作；当一个Bank在进行预充电期间也可以直接调用另一个已经进行预充电的Bank，而并不需要等待。具体的Bank控制过程要参考特定的器件数据手册。三星公司的K4S561632内的Bank控制状态如表2所列。

常用的三种寻址方式
K4S561632C器件的常用寻址方法有以下三种：
(1)页命中PH(Page Hit)：若寻址的行与所在的Bank是空闲的，即该Bank内所有的行是关闭的，那么此时便可直接发送行有效命令，这种情况下，数据读取前的总耗时为t_RCD+C_L；(t_RCD为RAS到CAS的延时；C_L为CASlatency)
(2)页快速命中PFH(Page Fast Hit)或页直接命中PDH(Page Direct Hit)：如果要寻址的行正好是在正常读或写，即要寻址的行正处于被选通的有效状态，那么此时可直接发送列寻址命令，这种情况下，数据读取前的总耗时仅为C_L，这就是所谓的背靠背(Back to Back)寻址；
(3)页错失PM(Page Miss)：若要寻址的行所在的Bank中已经有一个行处于激活状态(未关闭)，这种现象被称为寻址冲突，这样，就必须要进行预充电来关闭正在工作的行，然后再对其它的行发送行有效命令。其总耗时为：t_RP+t_RCD+C_L。(t_RP为Row precharge time)

在以上三种寻址方式中，PFH是最理想的寻址方式，PM则是最糟糕的寻址方式。实际应用中要尽量采用PFH寻址方式而应避免采用PM寻址方式。

减少延迟的方法
自动预充电技术是一种有效的减少延迟的方法，它通过自动在每次行操作之后进行预充电操作来减少对同一Bank内的不同行寻址时发生冲突的可能性。但是，如果要在正在读或写的行完成操作后马上打开同一Bank的另一行时，仍然存在t_RP的延迟。

交错式控制是另一种更有效的减少延迟的方法，即在一个Bank工作时，对另一个Bank进行预充电或者寻址(此时要寻址的Bank是关闭的)，预充电与数据的传输交错执行。当访问下一个Bank时，t_RP已过，这样就可以直接进入行有效状态。如果配合得比较理想，那么就可以实现无间隔的Bank交错读或写。因此，Bank之间的切换可使存取效率成倍提高，并能够大大提高多组SDRAM协同工作时的性能。

Bank乒乓操作写入
一个由行、场同步信号控制的计数器在预定的时刻会产生一个控制信号，先发出激活相应Bank的激活命令(ACTIVE)，并锁存相应的Bank地址(由BA0、BA1给出)和行地址(由A0～A12给出)。一个周期后再给出列地址和写入命令；在CL个周期后，便可将所需写入的数据依次送到数据总线上。当计数器的计数周期到达时，系统会产生一个控制信号，并向SDRAM发出预充电(PRECHARGE)命令(如果使用了可编程长度，则在这前要使用突发终止命令)，以关闭已经激活的页。在下一个视频行同步信号来临时，系统将重复以上操作，并如此循环下去，具体操作如图4所示。图中左边的一、二、三.。为所对应的视频行同步信号。右边1至511……则代表对应的存储器中的列地址(即是屏幕上对应的像素的位置)。

Bank乒乓操作读出
由行、场同步信号控制的一个计数器可在预定的时刻产生一个控制信号，它首先发出相应的Bank激活命令(ACTIVE)，并锁存相应的Bank地址(由BA0、BA1给出)和行地址(由A0～A12给出)。然后在一个周期后给出列地址和读命令；当计数器的计数周期到达时，系统会产生一个控制信号，并向SDRAM发出预充电(PRECHARGE)命令，以关闭已经激活的页(如果使用了可编程长度，则在这之前要使用突发终止命令)。之后，再在下一个视频行同步信号来临时重复以上操作，如此循环(具体操作如图5)。图中左边的一、二、三……为所对应的视频行同步信号。右边1至511……代表对应的存储器中的列地址(即是屏幕上对应的像素的位置。

场乒乓操作

为了SDRAM能正确进行读和写两个操作，本方案选用两场乒乓操作来实现数据存取。实际上，就是在不同的时间对两场轮换进行读或写，一场读而另一场写，其原理如图6所示。当开关K1在1位置，K2在4位置时，A写B读；反之，当开关K1在3位置，K2在2位置时，A读B写。如此循环往复。

若以场同步信号的二分频计数器F/2为读写控制信号，假设SDRAMA在F/2时为1写、2读，则SDRAMB在F/2时为2写、1读，两场即为一个场乒乓操作周期，读写信号均在场同步信号为高电平时有效。由于存在消隐期，所以，将会有一段时间读写都无效(读写信号都是低电平，此时SDRAM进入预充电状态)。其总体时序如图7所示。

结束语

SDRAM的控制过程虽然很复杂，但如果根据实际情况进行取舍以满足实际系统要求，那么，SDRAM的控制过程还是比较简单的。在实验中，使用ALTERA公司的Cyclone FPGA器件进行设计时，程序设计可采用Verilog语句来实现对实时视频信号的采集；并通过改变计数器的周期及SDRAM的行、列地址线的时序就可以对任意位置的视频图像进行平移、旋转、截取等处理。此外，由于程序设计采用了化整为零和参数化设计思想，因而结构透明、简单；对于特定容量的SDRAM的特定工作模式而言，该方法只需根据器件重新设定参数而不要重新编写程序，因而具有较强的通用性。