可適應(yīng)多種時序情況的DMA控制器設(shè)計

摘要：在以SD卡為圖像存儲器件的圖像協(xié)處理器中，基帶芯片和SD卡控制器在速度上的差異經(jīng)常會導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯誤。為解決此問題，設(shè)計了一種可適應(yīng)多種時序情況的DMA控制器。該DMA控制器的狀態(tài)機，一方面對基帶芯片和SD卡控制器的操作請求進行仲裁，在響應(yīng)基帶芯片請求的同時，適當推遲SD卡控制器的請求；另一方面對DMA讀寫的數(shù)據(jù)進行計數(shù)，并以此判斷SD卡的一次多塊讀或多塊寫操作是否完成；最后對基帶芯片和SD卡控制器的速度做出判斷，必要時暫停速度較快一方的操作。實際工作表明，該DMA控制器能夠在基帶芯片和SD卡控制器之間
正確傳輸數(shù)據(jù)并使讀寫SD卡的速度達到210 kB／s。
關(guān)鍵詞：移動終端；基帶芯片；圖像處理；SD卡；DMA控制器

目前，以手機為代表的移動終端設(shè)備已經(jīng)成為集圖像、游戲、商務(wù)等多種功能于一體的工作和娛樂平臺。此平臺為了給用戶提供豐富和高質(zhì)量的視覺享受，大都設(shè)置圖像協(xié)處理器，由其來完成數(shù)字圖像的采集、處理、壓縮、存儲等功能。然而，高速度和高分辨率已經(jīng)成為數(shù)字圖像的方向發(fā)展，它們對圖像協(xié)處理器的設(shè)計提出了更高的要求。
為了使圖像協(xié)處理器能夠更快地存儲更多的數(shù)字圖像，這里介紹一種以SD卡為圖像存儲器件的圖像協(xié)處理器。采用SD卡存儲圖像數(shù)據(jù)有兩方面的原因：1)SD卡體積小、功耗低，非常符合移動終端設(shè)備的系統(tǒng)要求；2)SD卡的存儲容量非常大，目前最高可達到32GB，另外其最高時鐘頻率為25MHz，讀寫的極限速度可以達到12.5MB／s。所以SD卡對于分辨率越來越高、速度越來越快的數(shù)字圖像，無疑是理想的存儲器件。
但SD卡控制器對DMA接口的靈活性有較高要求。這首先有協(xié)議方面的原因，SD卡控制器每次讀或?qū)懣ǖ臄?shù)據(jù)量應(yīng)為512字節(jié)的整數(shù)倍但在圖像協(xié)處理器中提供數(shù)據(jù)的基帶芯片寫入數(shù)據(jù)時可能被某個中斷源打斷，故不能保證每次都連續(xù)寫入512字節(jié)整數(shù)倍個數(shù)據(jù)，所以DMA接口的控制器在此情況下必須能夠使SD卡控制器在寫完已有數(shù)據(jù)后暫停寫卡操作；其次有速度方面的原因，基帶芯片寫數(shù)據(jù)的速度與SD卡控制器寫SD卡的速度有很大差異，當基帶芯片要寫入新的數(shù)據(jù)時，極有可能SD卡控制器還在通過DMA接口讀取數(shù)據(jù)，所以DMA控制器此時必須能夠使基帶芯片的寫入和SD卡控制器的讀出互不干擾。
本文所設(shè)計的可適應(yīng)于多種時序情況的DMA控制器，被應(yīng)用于該圖像協(xié)處理器之中后，能夠很好地解決上述問題。

1 圖像協(xié)處理器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖1所示為該DMA控制器所處圖像協(xié)處理器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，下面將對其的系統(tǒng)構(gòu)成和數(shù)據(jù)流程做詳細說明。

1．1 系統(tǒng)構(gòu)成
基帶芯片為移動終端設(shè)備的系統(tǒng)控制核心。其通過外部存儲器接口總線(External eMI，Memory Interface bus)與該圖像協(xié)處理器的控制端口相連?；鶐酒粌H控制著圖像協(xié)處理器所有模塊的工作模式，而且負責圖像數(shù)據(jù)的傳送。EMI總線數(shù)據(jù)線寬度為16位，其控制的圖像顯示終端為分辨率為320x240的LCD。
圖像傳感器(sensor)為感光器件，其將接收到的光信號轉(zhuǎn)為電信號，并在內(nèi)部通過模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換產(chǎn)生數(shù)字圖像，在該圖像協(xié)處理器設(shè)計中采用分辨率為640x480的圖像傳感器，其的工作時鐘為24 MHz。
圖像處理模塊，即ISP(Image Signal Processing)模塊被用于圖像處理，包括去壞點、去噪聲、邊界增強等功能。
圖像壓縮模塊被用于對圖像處理模塊輸出的YUV422格式數(shù)據(jù)進行JPEG壓縮。
SD卡控制器模塊負責與SD卡的命令和數(shù)據(jù)交互，所有對SD卡的操作都由基帶芯片配置SD卡控制器的相關(guān)寄存器完成。其與SD卡的接口包括CLK(SD卡的時鐘信號線)、CMD(SD卡的命令線)、DATA0～DATA3(SD卡的4根數(shù)據(jù)線)。在與SD卡的數(shù)據(jù)交互中，一般是以block(512字節(jié))為
單位的，并且在啟動寫卡命令之后，SD卡控制器必須在250 ms(SD version 2．0)內(nèi)將所有數(shù)據(jù)寫入SD卡中。
DMA控制器為基帶芯片與SD卡控制器的接口模塊，用于對寫卡數(shù)據(jù)和讀卡數(shù)據(jù)做暫時存儲。其的本質(zhì)功能是協(xié)調(diào)基帶芯片和SD卡控制器之間的速度差異。存儲數(shù)據(jù)的DMA存儲器容量為5 120字節(jié)，即10個block數(shù)據(jù)。
1．2 數(shù)據(jù)流程
在該圖像協(xié)處理器中，所有模塊時鐘頻率均為48 MHz，其被2分頻之后送至圖像傳感器，圖像傳感器以24 MHz頻率送出格式為YUV422的640x480圖像。
該圖像協(xié)處理器有2種模式：圖像預(yù)覽模式和連拍模式。圖像預(yù)覽模式用于拍照前的圖像預(yù)覽，拍照者可以在LCD上看到將被拍下的圖像。連拍模式用于連續(xù)拍攝圖像，并將每一幅拍下的照片存入SD卡當中。
1．2．1 圖像預(yù)覽模式的數(shù)據(jù)流程
在圖像預(yù)覽模式下，圖像傳感器以24 MHz頻率送出分辨率為640x480且格式為YUV422的圖像，幀率為30幀／s。數(shù)據(jù)被48 MHz系統(tǒng)時鐘同步后送入圖像處理模塊。圖像處理模塊將針對圖像傳感器的特點對圖像進行處理以提高圖像質(zhì)量，然后將圖像分辨率從640x480縮小至320x240以適應(yīng)LCD的顯示分辨率，并將數(shù)據(jù)格式從YUV422轉(zhuǎn)為RGB565。最后，基帶芯片通過EMI接口將圖像數(shù)據(jù)讀出，直接寫入LCD的顯示緩沖區(qū)后在LCD上顯示出來。
1．2．2 連拍模式的數(shù)據(jù)流程
當基帶芯片啟動連拍模式后，其首先配置圖像傳感器，使其以10幀／s的幀率送出分辨率為640x480的數(shù)字圖像，數(shù)據(jù)格式仍然為YUV42 2。此時每幀的周期為100 ms，其中幀有效時間為30 ms，幀消隱時間為70 ms。
當數(shù)據(jù)送入圖像處理模塊后，該模塊仍對圖像進行處理并將圖像分辨率從640x480縮小至320x240，之后將數(shù)據(jù)格式從YUV422轉(zhuǎn)為RGB56 5?；鶐酒踩匀煌ㄟ^EMI接口將該圖像數(shù)據(jù)讀出，并直接寫入LCD的顯示緩沖區(qū)中，這樣在連拍的時候，仍可以在LCD上看到被拍下的圖像。
圖像處理模塊在送出預(yù)覽數(shù)據(jù)的同時也將320x240的YUV422數(shù)據(jù)送至圖像壓縮模塊。為了兼顧壓縮比和圖像質(zhì)量，一般配置壓縮比在10：1左右，這樣一幅320x240的圖像經(jīng)JPEG壓縮后的數(shù)據(jù)量為320x240x2／10=15 360字節(jié)。為留出適當?shù)膫溆每臻g，圖像壓縮模塊將編碼之后的數(shù)據(jù)存入一個容量為8 192x16位的存儲器中，在此命名為JPEG_MEM。當一幅圖像編碼完成時，即在圖像傳感器進入幀消隱階段之后，JPEG_MEM中已經(jīng)存了一幅壓縮之后的圖像。隨后圖像壓縮模塊向基帶芯片發(fā)出中斷信號，基帶芯片在從圖像處理模塊接收了當前預(yù)覽圖像的最后一部分數(shù)據(jù)并送LCD顯示后，將響應(yīng)該中斷，從JPEG_MEM中讀出JPEG格式圖片，存入片外的存儲器中。經(jīng)實際測試可知，基帶芯片做一次EMI讀取大約需要時間250 ns，因為EMI數(shù)據(jù)線寬度為16位，所以在此250 ns內(nèi)基帶芯片將從JPEG_MEM中讀出2個字節(jié)，這樣讀完所有15 360個字節(jié)需要15 360x250／2=1．92 ms。在基帶芯片讀取JPEG數(shù)據(jù)之前，其將最后一部分預(yù)覽數(shù)據(jù)讀出并送LCD顯示也需要1 ms左右，至此每幀圖像70 ms的幀消隱時間在基帶芯片讀完JPEG數(shù)據(jù)后還剩余70-1-1．92=67．08 ms。
當基帶芯片讀完JPEG數(shù)據(jù)后，將立即準備將數(shù)據(jù)寫入SD卡中。其首先將操作文件鏈表，在SD卡上為即將寫入的JPEG圖片分配相應(yīng)空間，并將這些空間的原內(nèi)容擦除。因為在寫卡和擦卡之后，SD卡需要過一定時間后才能接受新的命令，所以操作文件鏈表和擦卡比較耗時間，一般需要15 ms左右。在此之后，為了提高寫卡速度，基帶芯片先將一部分數(shù)據(jù)(如512字節(jié))利用DMA控制器寫入存儲器中，這需要的時間為250 nsx512／2=0．064 ms，然后配置SD卡控制器向SD卡發(fā)出CMD25(multiply block write conlluand)命令。基帶芯片設(shè)置每個CMD25向卡寫入10個block數(shù)據(jù)。在接收到SD卡發(fā)回的響應(yīng)后，SD卡控制器將利用DMA接口從DMA存儲器中讀出圖像數(shù)據(jù)并同時將數(shù)據(jù)寫入SD卡中。在SD卡控制器寫卡的同時，基帶芯片將剩余的9個block數(shù)據(jù)寫入DMA存儲器。SD卡的時鐘頻率為24 MHz，為其工作在4根數(shù)據(jù)線模式時，其傳送完所有5 120字節(jié)的數(shù)據(jù)只需要42nsx2x5120=0．43 ms。但是基帶芯片寫完剩余的9個block需要250nsx512x9／2=0．576 ms>0．43 ms，所以從基帶芯片寫第1個block開始到SD卡控制器把最后一個block寫入SD卡大約需要時間為0．064+0．576+0．045=0．685 ms。在此之后，SD卡將進入編程狀態(tài)(programming狀態(tài))，這段時間因卡而異，在實際調(diào)試中使用的卡一般編程狀態(tài)會持續(xù)5 ms左右。至此基帶芯片完成一次5 120字節(jié)的寫卡需要時間為：15+0．685+5=20.685ms。如前所述每幅JPEG壓縮后的320x240的圖片大約為15360字節(jié)，即30個block，所以寫完一幅圖片需要的總時間約為3x20.685=62.055ms，其小于前面計算的67.08ms，所以基帶芯片和SD卡控制器可以在每幀圖像的幀消隱時間內(nèi)完成寫卡操作。