实时视频采集系统的SDRAM控制器设计

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，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MT48LC4M3282(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200μs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。

    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。

    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。

    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QuartusⅡ7．2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QuartusⅡ7．2进行综合和布局布线，并最终在Al-teraCyclone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。