摘 要： 提出了基于DDR存儲器的高速FIFO圖像緩存方案，降低了用戶接口的設(shè)計難度，實現(xiàn)了高速緩存的容量擴展，并成功應(yīng)用于工程項目。本文設(shè)計中使用16bit數(shù)據(jù)位寬的DDR器件，創(chuàng)新地實現(xiàn)了行猝發(fā)的操作模式，極大地提高了數(shù)據(jù)吞吐量。在工作時鐘為100MHz的條件下實現(xiàn)了平均緩存速度高達360MB/s，接近理論峰值數(shù)據(jù)吞吐量400MB/s。
關(guān)鍵詞： DDR存儲控制器; 高速緩存; FIFO
隨著半導(dǎo)體傳感器技術(shù)的發(fā)展，在實際應(yīng)用中越來越多地用到了高幀頻、大面陣的CCD相機以獲取高質(zhì)量、高分辨率的圖像數(shù)據(jù)。以分辨率為1K×1K、幀頻為200f/s、8bit灰度級的相機為例，其圖像數(shù)據(jù)流速率就將高達200MB/s，這對圖像的高速緩存和記錄提出了挑戰(zhàn)。高速緩存的實現(xiàn)是實時記錄的前提條件，高速圖像記錄之前必須采用合理的緩存機制來完成高速圖像數(shù)據(jù)緩存。
目前高速緩存實現(xiàn)方案有三種： 第一種是FIFO（先進先出）方式,FIFO存儲器就像數(shù)據(jù)管道一樣，數(shù)據(jù)從管道的一端流入,從另一端流出，先進先出,省略了地址線，接口簡單方便，其缺點是容量可擴展性差。第二種是雙口RAM方式,具有兩套獨立的數(shù)據(jù)、地址和控制總線，因而可從兩個端口同時讀寫而互不干擾，能達到很高的傳輸速度，并且具有隨機存取的優(yōu)點，缺點是需要用戶產(chǎn)生地址邏輯。 第三種是高速SRAM切換方式，高速SRAM只有一套數(shù)據(jù)、地址和控制總線，可通過三態(tài)緩沖門來實現(xiàn)兩塊SRAM的乒乓切換操作，該方案提高了系統(tǒng)帶寬，缺點是切換電路控制比較復(fù)雜。
目前高速緩存方案中常采用三種介質(zhì)：第一種是SRAM,其具有操作簡單的特點，但是昂貴的價格和容量的有限性限制了其在高速大容量的緩存中的應(yīng)用。第二種是SDRAM，由于需要進行刷新、預(yù)充電等操作，控制難度大于SRAM，同時由于其數(shù)據(jù)傳輸只在時鐘沿上沿進行，因此其傳輸帶寬還是受時鐘頻率的限制。第三種是DDR SDRAM，克服了SDRAM數(shù)據(jù)帶寬的問題，在時鐘的上下沿均傳輸數(shù)據(jù)，帶寬是SDRAM的兩倍，性價比高，是目前高速緩存的最理想介質(zhì)。
本文以Micron DDR SDRAM[1]作為緩存介質(zhì)，發(fā)揮了FIFO接口簡單、DDR的容量可擴展性和高數(shù)據(jù)帶寬的優(yōu)點。在工作時鐘100MHz的條件下，以FIFO作為緩存方案實現(xiàn)了緩存容量32MB、數(shù)據(jù)傳輸率高達360MB/s的高速圖像緩存，彌補了FIFO容量小和DDR用戶接口邏輯復(fù)雜的缺點，具有較好的應(yīng)用前景。
1 系統(tǒng)設(shè)計
為提高設(shè)計的可移植性和可擴展性，采用了模塊設(shè)計的方法，設(shè)計四個模塊來完成圖像緩存功能。系統(tǒng)框架如圖1所示。用戶層接口模塊負責(zé)與用戶進行通信，接收用戶命令和圖像數(shù)據(jù)并產(chǎn)生控制命令到應(yīng)用層控制模塊；應(yīng)用層控制模塊負責(zé)接收來自用戶層命令以及物理層控制模塊的狀態(tài)反饋信號，產(chǎn)生讀寫命令及DDR操作地址發(fā)送到物理控制模塊；物理層控制模塊負責(zé)接收應(yīng)用層發(fā)送來的操作地址和命令以及和用戶層進行數(shù)據(jù)通信，同時負責(zé)產(chǎn)生DDR器件操作所需要的時序邏輯功能來完成對DDR器件的物理層操作。
1.1 物理層控制模塊
DDR器件在上電過程中有一系列復(fù)雜的操作：上電后至少等候200?滋s然后連續(xù)執(zhí)行如下一連串命令：
全充電→空命令→配置外部模式寄存器→空命令→配置內(nèi)部模式寄存器→全充電→空命令→自動刷新→空命令→自動刷新→空命令→用戶發(fā)出任何有效操作命令。
該模塊的狀態(tài)機如圖2所示，復(fù)位或者上電后進入初始化狀態(tài)，初始化完成后進入工作等待（空閑）中，由于DDR器件的構(gòu)造特點，需要每隔64ms對器件所有存儲單元進行一次刷新。DDR器件本身具有自動刷新計數(shù)器，刷新一行計數(shù)器便增加一，因此自動刷新的時間間隔由DDR的行數(shù)決定，本設(shè)計采用Micron MT46V32M16器件，行數(shù)為8K,計算得到相鄰自動刷新命令的間隔為7.8μs。設(shè)計中采用一個計數(shù)器，每隔7.8?滋s就發(fā)出一個自動刷新的命令，控制器在工作空閑狀態(tài)下響應(yīng)并發(fā)出自動刷新命令。
DDR的存儲單元[2]按照塊(BANK)、行(ROW)、列(Column)地址分布，支持最大猝發(fā)操作為8個存儲單元，每次切換塊、行地址必須首先進行充電狀態(tài)(Precharge)來關(guān)閉當(dāng)前操作的塊、行中的存儲單元，并且在進行新的操作時首先要激活操作單元所在的塊和行，控制器在工作空閑狀態(tài)下發(fā)出激活命令(ACTIVE)進入激活狀態(tài)，在此狀態(tài)下等候應(yīng)用層發(fā)送的控制命令以進行數(shù)據(jù)操作。
由以上分析可知：由于存在猝發(fā)長度限制及塊和行地址切換等控制時間開銷，DDR的隨機操作的數(shù)據(jù)吞吐量實際上是有限的，不適合高速圖像緩存這種應(yīng)用環(huán)境，必須設(shè)計一種新的猝發(fā)模式來提高數(shù)據(jù)吞吐量。本文結(jié)合DDR充電以及圖像緩存的特點，提出并實現(xiàn)了一種一次操作DDR一行、一行1 024個存儲單元的猝發(fā)模式，由于DDR只支持2、4、8長度的猝發(fā)模式，設(shè)計中采用了猝發(fā)長度為4的連續(xù)猝發(fā)方式，核心思想是在一次猝發(fā)正在進行的時候又發(fā)起操作命令從而使得該次猝發(fā)后連續(xù)進行下一次猝發(fā)。實現(xiàn)了一次連續(xù)操作2KB數(shù)據(jù)的高吞吐量操作。如圖2狀態(tài)機所示，當(dāng)一行操作完后則進入空閑狀態(tài)，然后再進行自動刷新和充電的操作。這種猝發(fā)模式一次猝發(fā)只需要一次充電操作，而猝發(fā)長度為8的猝發(fā)模式完成2KB的數(shù)據(jù)傳輸共需要進行125次充電操作，而一次充電操作需要幾個時鐘周期開銷，相比較而言，大大節(jié)省了控制開銷，提高了數(shù)據(jù)吞吐量。
1.2 應(yīng)用層控制模塊
本設(shè)計將DDR作為FIFO的容量擴展來實現(xiàn)高速緩存，這需要內(nèi)部產(chǎn)生地址邏輯。在應(yīng)用層控制模塊中，負責(zé)接收用戶接口模塊送過來的命令信號，并對命令進行譯碼。判斷當(dāng)前命令與上次命令一樣的時候地址繼續(xù)累加產(chǎn)生，當(dāng)前命令與上次命令不同時則地址復(fù)位，重新從DDR的零地址開始操作，這樣符合FIFO的工作特點。模塊產(chǎn)生DDR的地址信號和物理層的控制信號，并根據(jù)地址邏輯產(chǎn)生DDR狀態(tài)信號反饋到用戶層接口。
1.3 用戶層接口模塊
用戶層接口模塊[3]負責(zé)接收圖像輸入數(shù)據(jù)，并提供簡易用戶接口，屏蔽了內(nèi)部控制的復(fù)雜性，在用戶看來對該DDR的操作實際上就是對FIFO的操作，判斷DDR內(nèi)部產(chǎn)生的DDR狀態(tài)信號，發(fā)出緩存或者數(shù)據(jù)讀出命令。
用戶接口層模塊方框圖如圖3所示。當(dāng)用戶發(fā)出緩存命令時，內(nèi)部狀態(tài)機自動監(jiān)測圖像幀的開始位置并將一幀中的幾行數(shù)據(jù)寫入“輸入FIFO”，當(dāng)此FIFO達到一次猝發(fā)操作數(shù)據(jù)量2KB時，狀態(tài)機發(fā)出DDR寫命令到下一層，并一次性讀完輸入FIFO的數(shù)據(jù)。圖像數(shù)據(jù)連續(xù)向“輸入FIFO”輸入，狀態(tài)機不間斷地檢測“輸入FIFO”的編程狀態(tài)信號并發(fā)出DDR寫命令。由于圖像數(shù)據(jù)存在行場消隱期以及DDR的行猝發(fā)寫操作效率高，因此在一定的像素時鐘條件下不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)堵塞情況。
當(dāng)用戶發(fā)出讀出命令時，狀態(tài)機自動檢測“輸入FIFO”的狀態(tài)，在可編程空信號有效時一次性向“輸出FIFO”輸入2KB數(shù)據(jù)，此時“輸出FIFO”輸出數(shù)據(jù)有效信號以提示用戶可以進行數(shù)據(jù)讀取。用戶從DDR讀出數(shù)據(jù)操作實際上就是對FIFO的讀操作，因此用戶只需要提供讀FIFO使能信號以及讀FIFO時鐘就可以將DDR內(nèi)部的數(shù)據(jù)依次讀出。當(dāng)用戶快要將FIFO的數(shù)據(jù)讀空的時候，狀態(tài)機發(fā)出讀命令從DDR存儲器中一次性讀出2KB數(shù)據(jù)存入“輸出FIFO”中，由于DDR讀的峰值速度高達400MB/s(100MHz×2B×2)，而用戶接口讀速率一般不超過這個值，因此不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)堵塞情況。
該模塊完成了用戶接口、圖像輸入、控制器三個時鐘域的設(shè)計,極大地簡化了用戶接口的操作。良好的功能模塊化劃分，使得用戶只需按照具體要求對圖像輸入接口進行簡單修改便可實現(xiàn)對于任何數(shù)據(jù)源的緩存，拓寬了該緩存技術(shù)的應(yīng)用范圍。
1.4 時鐘管理單元模塊
本設(shè)計DDR控制器時鐘頻率[4]為100MHz，在各模塊中時鐘相位可以不同。因此時鐘管理模塊對時鐘輸入信號進行90°、180°、270°等相移，設(shè)計中可以采用FPGA的數(shù)字時鐘管理單元(DCM)。該模塊產(chǎn)生復(fù)位信號，當(dāng)上電復(fù)位該模塊自動檢測復(fù)位信號，并延遲200μs產(chǎn)生控制器所需要的復(fù)位信號。
2 性能測試
使用VHDL語言[5]在ISE7.1i軟件環(huán)境下完成整個模塊的設(shè)計，綜合后共占14％的芯片Slice資源，最高時鐘頻率可達156.5MHz。在基于Xilinx的VirtexIIpro硬件平臺上加載測試，硬件平臺中使用的DDR為Micron公司的MT46V32M16芯片，晶振為100MHz。
為測試該設(shè)計的最高平均緩存速度，采用邏輯分析儀采集控制器內(nèi)部工作時的數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)一行數(shù)據(jù)的猝發(fā)共需要512個時鐘周期，而刷新、充電、狀態(tài)等待等時鐘開銷只需要不到50個時鐘周期，因此，實際平均數(shù)據(jù)吞吐量為理論峰值速率400MB/s×512/(512+50)≈360MB/s。
為測試該圖像緩存的數(shù)據(jù)記錄的完整性，向該模塊輸入模擬產(chǎn)生的相機數(shù)據(jù)。8位灰度圖像大小為512×512,圖4為從DDR器件中讀出的緩存圖像。
本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于DDR的高速圖像緩存。創(chuàng)新地采用了行猝發(fā)操作以提高數(shù)據(jù)吞吐量。在100MHz的時鐘條件下實現(xiàn)峰值傳輸速率400MB/s、最大平均傳輸速率360MB/s的圖像緩存。在提高時鐘頻率的情況下數(shù)據(jù)傳輸率還有上升空間。同時用戶可根據(jù)需求對輸入接口進行修改以應(yīng)用于特殊要求的數(shù)據(jù)緩存，應(yīng)用廣泛。
參考文獻
[1] DDR SDRAM General Description[DB/OL].[2007-04-15] http://www.micron.com/ datasheets.
[2] Synthesizable DDR SDRAM Controller[DB/OL].[2006-10-27] http://www.xilinx.com.
[3] Memory Interface Application Notes Overview[DB/OL].[2007-03-26] http://www.xilinx.com.
[4] SYNCHRONOUS TIMING FOR DDR SDRAM[DB/OL]. http://www.micron.com/datasheets.
[5] 候伯亭. VHDL硬件描述語言與數(shù)字邏輯電路設(shè)計.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1999.