实时视频采集系统的SDRAM控制器设计

2010-05-13张文涛,王琼华,李大海,张映权

现代电子技术 2009年20期

张文涛,王琼华,李大海,张映权

摘要:描述了一种在PAL→VGA的实时视频采集系统中图像数据处理的方法。针对实时视频采集系统一般使用2片SDRAM进行乒乓缓存的方式,给出一种使用一片SDRAM的不同BANK进行乒乓操作的相对容易实现的SDRAM控制器设计方法。该方法通过充分利用SDRAM的切换BANK存取操作并采用指令计数的方式进行读写状态转换,在PAL→VGA实时视频采集系统中实现了利用一片SDRAM进行图像缓存。它在实时视频采集系统中图像数据处理方面,具有良好的应用价值。

关键词:视频采集;FPGA;SDRAM 控制器;乒乓操作

中图分类号:TN948文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2009)20-057-03

Design of SDRAM Controller for Real-time Video Acquisition System

ZHANG Wentao,WANG Qionghua,LI Dahai,ZHANG Yingquan

(Key Laboratory of Fundamental Synthetic Vision Graphics and Image for National Defense,School of Electronics and

Information Engineering,Sichuan University,Chengdu,610065,China)

Abstract:In this paper,a method of image data processing for PAL→VGA real-time video acquisition system is des-cribed.According to the former method of real-time video acquisition system usually using two SDRAM for ping pong cache,a design method of one SDRAM controller which uses different BANK of SDRAM for ping pong operation is proposed.By usingthe alternating BANK access operation of SDRAM and using instruction count to convert the read and write state of SDRAM,PAL→VGA real-time video acquisition system uses one SDRAM to realize image cache successfully.The design is well applicable to image data processing for the real-time video acquisition system.

Keywords:video acquisition;FPGA;SDRAM controller;ping pong operation

0 引言

在PAL→VGA的实时视频采集系统中,由于视频数据流的数据量大、实时性要求高,需要高速大容量的存储器作为图像数据的缓存。SDRAM[1]作数据缓存不仅具有大容量和高速度的特点,而且在价格和功耗方面也占有很大的优势。但是SDRAM控制较复杂,需要处理预充、刷新、换行等操作,因此有必要设计SDRAM控制器[2-10]来完成和SDRAM的接口。并且为了保证数据流的连续性,实时视频采集系统通常采用通过对两片SDRAM的乒乓操作来完成图像数据的缓存。针对SDRAM是高速设备,工作频率上限最高可以达到166 MHz,而该系统中前端图像采集模块的像素时钟为27 MHz,后端VGA显示的像素时钟为31.5 MHz。在此介绍了一种使用1片SDRAM的不同BANK进行乒乓操作[11],且相对容易实现的SDRAM控制器设计方法。

1 SDRAM 基本操作原理

SDRAM的主要操作包括初始化、读写访问、刷新、激活、预充电等。以MICRON公司的MT48LC4M32B2(1M×32 b×4 BANKS)为例,简要介绍一下SDRAM的操作。

如图1所示,SDRAM的初始化操作过程如下:

(1) 在电源管脚上电(电压不得超过标称值的0.3 V)并且时钟稳定后经过200 μs延迟,执行一次空操作命令(该命令在延迟周期的后期发出)且保持时钟使能信号为高;

(2) 对所有的BANK进行预充电,所有的BANK都进入空闲状态;

(3) 预充电后执行两个自动刷新命令,等待八个刷新周期完毕;

(4) 发出模式设置命令来设置模式寄存器。由于上电后模式寄存器的状态是不确定的,所以在进行SDRAM操作之前一定要先设置模式寄存器。模式寄存器设置值如图2所示。

图1 SDRAM的初始化过程

图2 模式设置值

对SDRAM的读写访问先要以激活命令选择具体的BANK和行,地址线BA1/BA0用来选择BANK,A0～A11用来选择所要访问的行;然后发出读或写命令,地址线A0～A7用来选择所要访问的起始列。在读命令发出后,要等待一个CAS延迟时间,有效数据才会出现在数据总线上,CAS延迟时间可以设置为2或3个时钟。在写命令发出后,不需要等待CAS延迟时间有效数据会立即出现在数据总线上。对SDRAM的读写操作一般以突发模式进行,突发长度可以设置成1,2,4,8以及全页,常用的长度为8个。该系统的CAS延迟时间设置为2,突发长度为1。

SDRAM的存储单元可以理解为一个电容,总是倾向于放电,必须有定时的刷新周期以避免数据丢失。只要保证在64 ms时间内所有有效数据行都完成刷新就可以保证数据不丢。SDRAM提供两种类型的刷新模式:自动刷新和自刷新。在该系统中,前端PAL制式信号一帧的时间为40 ms,因此SDRAM的同一地址读写操作的时间相隔为40 ms。又由于系统为实时视频采集系统,前端采集的视频数据是连续不断的,所以该系统不需要进行刷新操作即可保证数据不丢。

2 SDRAM控制器的设计实现

在实时视频采集系统中,为了保证数据的稳定和连续性,通常采用的方法是对存储器进行乒乓操作。一般所指的乒乓操作针对两片存储器芯片,如图3所示,其原理是通过控制模块对两片存储器分别做读写操作,写存储器满时控制模块发出交换命令,切换两片存储器的操作状态。

图3 模式设置值

该系统采用的是一片SDRAM实现乒乓操作。设计时是利用SDRAM的不同BANK间的存取操作来实现乒乓操作。由于SDRAM总共有4个BANK,所以读取第一帧图像时使用SDRAM的1,2 BANK为读缓存,3,4 BANK为写缓存。第二帧图像时SDRAM的3,4 BANK切换为读缓存,1,2 BANK切换为写缓存。采用一帧图像读写完毕作为切换标志反复切换读写缓存,就充分利用SDRAM的不同BANK来实现乒乓操作。另一方面由于SDRAM的数据线和地址线只有1组,所以实际控制的时候读写操作是不能同时进行的。设计中考虑到SDRAM的工作频率与前端图像采集的像素频率以及后端VGA显示的像素频率相比要高得多,因此将读写操作利用时分的方式分开控制。

所以在控制器中设计了一个指令计数器(Countcmd),通过计数的方式来切换读写操作。只要选取适当的SDRAM工作频率以及指令计数器的规定值就可以完成SDRAM读写操作的连续切换。实际设计中采用的SDRAM工作频率为100 MHz,指令计数器的规定值为240。SDRAM控制器状态转换概图如图4所示。

图4 SDRAM控制器状态转换概图

SDRAM控制器的具体状态转换流程如下:首先初始化SDRAM,然后向SDRAM的1,2 BANK写入第一帧图像,当第一帧图像写入完毕后进入乒乓操作阶段。此时SDRAM的1,2 BANK为读缓存,3,4 BANK为写缓存。

首先进入读缓存激活行,开始读操作,读操作开始的同时启动指令计数器。此时每执行一条指令(包括读指令,空操作指令,不包括预充电指令和行激活指令),指令计数器自加1,当指令计数器到达规定值时将指令计数器清0并切换到写状态。进入写状态前先判断写缓存的行激活标志,如果没有激活,先执行行激活,然后开始写操作,如果已经激活则直接开始写操作。写操作开始的同时启动指令计数器。此时和读状态时一样,每执行一条指令,指令计数器自加1,当指令计数器到达规定值时同样将指令计数器清0后切换到读状态。如此反复切换操作,直至读完一帧或者写满一帧。如果是读完一帧,则判断写缓存中一帧写满没有。如果已经写满,则进入读写BANK切换状态。如果没有,则进入写状态并不再切换读写状态,一直保持写状态直至写满一帧为止,然后进入读写BANK切换状态。如果是写满一帧,则同理于读完一帧的情况,首先判断读缓存中读完一帧没有,然后根据判断结果进行操作,最后进入读写BANK切换状态。在读写BANK切换状态中,读缓存切换为3,4 BANK,写缓存切换为1,2 BANK。反复上述操作步骤,就可以完成使用一片SDRAM不同BANK的乒乓操作。

整个SDRAM控制器在Altera的Quartus Ⅱ 7.2环境下采用Verilog设计完成,然后在ModelSim SE 6.0环境下仿真通过。随后通过Altera的Quartus Ⅱ 7.2进行综合和布局布线,并最终在Altera Cyclone系列FPGA芯片EP1C6Q240C8上完成。所设计的SDRAM控制器在PAL→VGA的实时视频采集系统中调试通过,能够实现图像数据的存储和读取,完全满足系统的要求。

3 结语

介绍在PAL→VGA的实时视频采集系统中使用SDRAM作为图像缓存的基本操作,设计一种使用1片SDRAM的不同BANK进行乒乓操作的相对容易实现的SDRAM控制器设计方法。在PAL→VGA的实时视频采集系统中,使用了所设计的SDRAM控制器,并通过硬件验证,采集得到的图像质量较好。另外,这里设计的SDRAM控制器稍加改动就可以应用到其他实时视频采集系统中去,具有很强的通用性。

参考文献

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