0 引 言
目前，在很多視頻數(shù)據(jù)采集以及實時顯示的應用開發(fā)中,，常需要用到存儲容量大,、讀寫速度快的存儲器。在各種存儲器件中,，同步動態(tài)隨機存儲器SDRAM 以其速度快,、容量大、價格低的特點而備受關注,。SDRAM 的工作頻率可以達到100MHz 甚至更高,，但是在其工作周期內，因為要有刷新,、預充電以及尋址等必要的操作,，不可能總處于數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，使得它的帶寬不能達到百分之百的利用,，實時顯示效果因此受到影響,。為此，本文在研究有關文獻的基礎上,，根據(jù)具體情況提出了一種獨特的方法,，利用FPGA 的片上資源開辟了多個FIFO 作為讀寫緩存，實現(xiàn)了多端口SDRAM 控制器的設計,，并用Verilog 硬件描述語言[1] 給予實現(xiàn),，仿真結果表明該控制器能夠輪流地從多個緩存向SDRAM 進行存取，實現(xiàn)了高速多數(shù)據(jù)緩存,，充分利用了SDRAM 的有效帶寬,，提高了存取速度，從而達到實時顯示的要求,，并且只要將該設計稍加修改,，便可應用到其他需要多數(shù)據(jù)緩存的場合。
1 SDRAM 基本操作原理[2] [3]
SDRAM 的主要控制信號有：CS_N：片選使能,；CAS_N：列地址選通信號,；RAS_N：行地址選通信號,；WE_N：寫使能信號；DQM：字節(jié)掩碼信號,；ADDR：地址線。以上這些信號的邏輯組合就組成了SDRAM 的主要操作命令,，如表1 所示：
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1.1 初始化操作
SDRAM 上電一段時間后, 經過初始化操作才可以進入正常工作過程,。初始化主要完成預充電、自動刷新和模式寄存器的配置,。
1.2 SDRAM 的基本讀寫操作
讀寫操作主要完成與SDRAM 的數(shù)據(jù)交換,。可以分為非突發(fā)連續(xù)操作模式和突發(fā)連續(xù)操作模式, 非突發(fā)指的是傳送數(shù)據(jù)和地址必須是相對應一個一個的傳輸, 突發(fā)模式則是地址控制信號只需要給出首地址信息, 而數(shù)據(jù)實現(xiàn)連續(xù)傳輸過程, 突發(fā)數(shù)據(jù)的長度可以為1, 2,4, 8 和全頁,。
1.3 刷新操作
動態(tài)存儲器都存在刷新問題,。SDRAM 的刷新方式有自動刷新和自主刷新, 這里主要采用自動刷新方式, 每隔一段時間向SDRAM 發(fā)一條刷新命令。
2 基于FPGA 的多端口SDRAM 控制器設計
設計中選用的FPGA 是Altera 公司生產的CycloneII 系列中的EP2C35,，選用的SDRAM 是ISSI 推出的64-MBIT 的IS42S16400B ,，它是以1MWords X 16Bits X 4Banks 為組織結構的同步動態(tài)隨機存儲器，最高時鐘頻率可達143MHz[4],。
視頻數(shù)據(jù)實時顯示系統(tǒng)的基本構成如圖1 所示[5]：
SDRAM 作為幀緩沖器,，它的上一級數(shù)據(jù)輸入是25MHz 的視頻數(shù)據(jù)采集模塊，所得到的數(shù)據(jù)經處理以后是每個像素點30 位數(shù)據(jù),，下一級是VGA 顯示器以25MHz 的時鐘進行數(shù)據(jù)輸出,，也要求是每個像素點30 位，而SDRAM 的數(shù)據(jù)寬度是16 位,，因而每當存入和讀取一個像素點的數(shù)據(jù)時,，各需要進行兩次傳輸。本款芯片SDRAM 的工作頻率雖然可設置為100MHz ,，但是如果不加緩存的話,，就不能使用頁突發(fā)模式來有效利用帶寬，而且SDRAM 內部其他操作也需要占用一定的時間,，不能達到實時顯示的效果,。本文在研究有關文獻的基礎上，利用FPGA 的片上資源開辟4 個FIFO 緩存,，將SDRAM 的數(shù)據(jù)端口仿真成四個虛擬端口（兩個寫端口+兩個讀端口）,，每個端口的數(shù)據(jù)寬度都是16位，深度是兩頁SDRAM 的大小,。且按照一致的規(guī)則將30 位采集和顯示的數(shù)據(jù)分成兩組與緩存進行存取,，相應的，在SDRAM 上使用兩個Bank 來分別存取每組數(shù)據(jù),?？刂破鞲鶕?jù)緩存FIFO 的狀態(tài)對SDRAM 發(fā)出讀寫請求,，采用頁模式突發(fā)傳輸和Bank 切換的方式來匹配時序要求。
SDRAM 控制器的內部結構如圖2 所示：
各功能模塊描述如下：
2.1 多端口讀寫控制模塊
該模塊是與外設交換數(shù)據(jù)的接口,，并且根據(jù)緩存FIFO 的狀態(tài),，自動生成對SDRAM 的讀寫請求以及數(shù)據(jù)緩沖處理。它是本設計的核心,。下面著重描述一下讀寫請求產生的設計過程和簡要代碼,。
將數(shù)據(jù)采集模塊得到的兩組數(shù)據(jù)同時存貯到各自的寫緩存FIFO 里，只要寫緩存里的數(shù)據(jù)達到了SDRAM 每頁的數(shù)據(jù)大小,，就產生對SDRAM 的寫請求,，因為每個緩存的大小是兩頁SDRAM ，所以此時數(shù)據(jù)采集模塊還可以繼續(xù)存數(shù)據(jù),。類似的,，VGA 所顯示的數(shù)據(jù)也是從兩個讀緩存 FIFO 得到的，只要讀緩存里的數(shù)據(jù)小于SDRAM 每頁的數(shù)據(jù),，就產生對SDRAM 的讀請求,，這樣每個緩存里的兩頁輪流操作。關鍵代碼如下：
2.2 地址生成模塊
該模塊用來自動生成對SDRAM進行存取操作的Bank地址,，起始地址和突發(fā)長度,。由于30位的像素數(shù)據(jù)等分各存入兩個Bank里，所以在Bank里它們的對應地址是相同變化的,，這樣存取數(shù)據(jù)時,，對兩個Bank的讀寫地址的控制就是統(tǒng)一增減的，降低了使用一個Bank時讀寫控制的繁雜性,。
2.3 自動刷新模塊
SDRAM需要不斷的刷新操作,，同一行的存儲單元每隔64m s 需要刷新一次，對于本芯片的一個Bank 中的4096 行存儲單元,，則每15. 625us 就需要發(fā)出一個刷新命令,，由于本設計采取緩存的辦法，所以應該按讀寫SDRAM到緩存FIFO的時間為準來設計刷新計數(shù)器的初始值,。以頁模式進行讀寫,，讀數(shù)據(jù)的整個時間過程是tRCD+ tCL+mLENGTH ，寫數(shù)據(jù)的整個時間過程是tRCD+mLENGTH ,，其中tRCD是激活命令到讀或寫命令期間的延遲,，tCL是讀命令發(fā)出后到第一個有效數(shù)據(jù)之間的間隔，mLENGTH 是SDRAM 的頁長,，本設計中tRCD =3,， tCL=3，mLength=256 。因此刷新計數(shù)器的初始值設置為2X(256+3+3)+ 2X(256+3)=1042 ,，經計算遠遠小于所要求的刷新周期,，初值設置合理。開始工作后,，每當刷新計數(shù)器值減為0,， 便會發(fā)出刷新命令，保證SDRAM內的數(shù)據(jù)不丟失,，自動刷新之后直接進行預充電來關閉工作行,。
2.4 命令產生模塊
該模塊主要負責命令仲裁、命令生成以及時序控制等,。SDRAM 優(yōu)先級仲裁算法通常有兩種：一種是固定優(yōu)先級算法，另一種是循環(huán)優(yōu)先級算法,。本文設計的SDRAM 控制器是應
用在實時圖像處理系統(tǒng)中的,，對數(shù)據(jù)處理效率要求很高，因此設計中選用固定優(yōu)先級算法,。本文規(guī)定優(yōu)先級如下：初始化請求>刷新請求>讀請求>寫請求>其他,。
2.5 時鐘產生模塊
通過使用PLL(鎖相環(huán)) 資源為FPGA 內部的時序元件提供穩(wěn)定的時鐘以及為SDRAM 提供可靠的時鐘，本設計中為100MHz ,。
1 SDRAM 控制接口模塊：該模塊主要完成對SDRAM 的命令解碼,、初始化配置等。
2 數(shù)據(jù)通路模塊：根據(jù)模式寄存器的模式字及對用戶指令的分析結果,，使SDRAM 的地址及數(shù)據(jù)和相應的操作指令在時序上同步,。
3 仿真驗證
使用Modesim 軟件[6]對多端口SDRAM 控制器進行仿真驗證，得到的SDRAM 讀寫信號仿真波形圖時序合理,、邏輯正確,，可以從多個緩存FIFO 輪流地向SDRAM 以頁突發(fā)模式進行讀寫操作，有效利用了SDRAM 的帶寬,，而數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)顯示模塊可以在不受SDRAM 操作時序影響的情況下,，連續(xù)地向緩存FIFO 中存取數(shù)據(jù)。仿真波形如圖3 所示：
將該控制器集成到視頻數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)的設計中,，經QuartusII 分析綜合,，生成的網表文件下載到FPGA 芯片上，并將數(shù)字攝像頭和VGA 顯示器連接好,，進行實際硬件驗證,，幾經調試，該系統(tǒng)已能夠成功運行并且達到了良好的實時顯示效果,。
4 結 論
本文使用狀態(tài)機的設計思想,，采用Verilog 硬件描述語言設計實現(xiàn)了一種基于FPGA 的，可用于多數(shù)據(jù)緩存的、高效利用SDRAM 帶寬的多端口SDRAM 控制器,。
本文作者創(chuàng)新點：設計實現(xiàn)的SDRAM 控制器能夠完成多端口數(shù)據(jù)緩存,，充分利用了SDRAM 的有效帶寬，提高了存取速度,，只要稍加修改就可以應用到圖像處理,，視頻監(jiān)控等需要高速多數(shù)據(jù)緩存的場合，可重用性好,。