嵌入式實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)中SDRAM控制器的實(shí)現(xiàn)

1 SDRAM簡(jiǎn)介
1．1 SDRAM的特點(diǎn)
相對(duì)于其他存儲(chǔ)器件，SDRAM具備以下特性。
(1)上電后必須通過(guò)一個(gè)初始化進(jìn)程配置模式寄存器的值，以決定SDRAM的工作模式；
(2)基于三極管和電容的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)SDRAM決定了必須對(duì)其定時(shí)執(zhí)行刷新操作，以免數(shù)據(jù)丟失；
(3)訪問(wèn)SDRAM時(shí)，先由Active命令激活要讀寫的Bank及行并鎖存行址，然后在Read／Write命令有效時(shí)鎖存列址。當(dāng)訪問(wèn)當(dāng)前Bank的其他行時(shí)，須先使用Pre-charge命令關(guān)閉當(dāng)前行；
(4)SDRAM的內(nèi)部操作由命令控制，CS_N，RAS_N，CAS_N和WE_N在時(shí)鐘上升沿的狀態(tài)決定了具體的操作，Bank及行列地址線在部分操作中作為輔助參數(shù)輸入。
1．2 全頁(yè)(Full-page)模式突發(fā)操作
進(jìn)行大量數(shù)據(jù)讀寫時(shí)，全頁(yè)突發(fā)模式是充分利用SDRAM性能，提高讀寫速度的良好選擇。
激活Bank的某一行后即可對(duì)該行進(jìn)行讀寫操作。
寫入數(shù)據(jù)在發(fā)出寫命令的當(dāng)前時(shí)鐘周期即可有效，因此寫操作可以在單周期內(nèi)完成；而讀出數(shù)據(jù)將在發(fā)出讀命令之后CL(CAS Latency)時(shí)鐘周期才能輸出到總線，即隨機(jī)讀取單個(gè)數(shù)據(jù)至少需要1+CL時(shí)鐘周期?？梢?jiàn)，隨機(jī)讀操作會(huì)大大降低系統(tǒng)效率。若采用全頁(yè)突發(fā)方式，對(duì)于列寬度為n的SDRAM存儲(chǔ)器，整頁(yè)輸出所需的總周期數(shù)為2n+CL，平均單個(gè)數(shù)據(jù)輸出所需周期為(2n+CL)／2n△1，由此讀操作延遲對(duì)系統(tǒng)效率的影響可降至最低。

2 SDRAM控制器設(shè)計(jì)
實(shí)際的實(shí)時(shí)紅外熱成像系統(tǒng)采用了ISSI公司生產(chǎn)的型號(hào)為IS42S16160B的SDRAM作為數(shù)據(jù)緩存，其存儲(chǔ)單元組織結(jié)構(gòu)為4 Bank×8 192行×512列×16位。
SDRAM控制器主要由時(shí)鐘鎖相環(huán)模塊、初始化模塊、刷新計(jì)數(shù)模塊、數(shù)據(jù)通路模塊、輸入／輸出FIFO模塊、FIFO接口模塊和主控制器模塊組成，如圖1所示。

在該SDRAM控制器中，片上時(shí)鐘鎖相環(huán)模塊的作用是將輸入時(shí)鐘倍頻為所需要的時(shí)鐘，并根據(jù)電路板布局進(jìn)行移相，以保證在時(shí)鐘上升沿準(zhǔn)確采樣命令及數(shù)據(jù)。初始化模塊負(fù)責(zé)產(chǎn)生規(guī)定了時(shí)間、順序和個(gè)數(shù)的控制命令對(duì)SDRAM進(jìn)行配置，并在進(jìn)程結(jié)束后發(fā)出ini_end信號(hào)，以啟動(dòng)主控制器。刷新控制模塊的作用是每隔最長(zhǎng)7．812 5μs發(fā)出刷新請(qǐng)求信號(hào)ref_req，并接收主控制器發(fā)出的ref_ack信號(hào)重置刷新計(jì)數(shù)器。數(shù)據(jù)通路模塊用于控制數(shù)據(jù)的有效輸入／輸出。
由于系統(tǒng)對(duì)控制器中讀寫操作的數(shù)據(jù)連續(xù)性要求很高，且讀寫速度比較低，而控制器對(duì)SDRAM中讀寫操作的數(shù)據(jù)連續(xù)性并無(wú)要求，且讀寫速度很高，因此需要使用異步FIFO作為輸入／輸出緩存。輸入／輸出FIFO的數(shù)據(jù)寬度為16 b，深度可視系統(tǒng)需要而定，但應(yīng)大于一次讀寫的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度LENGTH。另外，為配合SDRAM的全頁(yè)突發(fā)模式，并充分發(fā)揮SDRAM高速讀寫的特點(diǎn)，F(xiàn)IFO采用了乒乓操作的流水線結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)以輸入FIFO為例，當(dāng)某個(gè)輸入FIFO寫滿LENGTH數(shù)據(jù)時(shí)，主控制器從該輸入FIFO讀出數(shù)據(jù)寫入SDRAM，同時(shí)系統(tǒng)向另一個(gè)輸入FIFO寫入數(shù)據(jù)。

FIFO接口模塊的主要信號(hào)如圖2所示。其作用是將FIFO的狀態(tài)信號(hào)轉(zhuǎn)換為主控制器的讀寫請(qǐng)求信號(hào)，并控制切換輸入／輸出的兩個(gè)FIFO。以向SDRAM寫入數(shù)據(jù)為例，若某個(gè)輸入FIFO的寫人數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)標(biāo)志信號(hào)in_wr_used與LENGTH相等，則向主控制器發(fā)出寫SDRAM請(qǐng)求，并將該輸入FIFO中的LENGTH數(shù)據(jù)一次寫入SDRAM，同時(shí)控制系統(tǒng)向另一個(gè)輸入FIFO寫入數(shù)據(jù)。
SDRAM支持多種工作模式，將其全部包含在主控制器狀態(tài)機(jī)中會(huì)大大增加設(shè)計(jì)難度，并降低運(yùn)行速度?？紤]到一些模式在實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)中并不需要，所以對(duì)SDRAM主控制器韻狀態(tài)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，如圖3所示。