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計難度，實現了高速緩存的容量擴展，并成功應用于工程項目。本文設計中使用16bit數據位寬的DDR器件，創新地實現了行猝發的操作模式，極大地提高了數據吞吐量。在工作時鐘為100MHz的條件下實現了平均緩存速度高達360MB/s，接近理論峰值數據吞吐量400MB/s。

　　關鍵詞： DDR存儲控制器; 高速緩存; FIFO

 　　隨著半導體傳感器技術的發展，在實際應用中越來越多地用到了高幀頻、大面陣的CCD相機以獲取高質量、高分辨率的圖像數據。以分辨率為1K×1K、幀頻為200f/s、8bit灰度級的相機為例，其圖像數據流速率就將高達200MB/s，這對圖像的高速緩存和記錄提出了挑戰。高速緩存的實現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據緩存。
　　目前高速緩存實現方案有三種： 第一種是FIFO（先進先出）方式,FIFO存儲器就像數據管道一樣，數據從管道的一端流入,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,具有兩套獨立的數據、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點，缺點是需要用戶產生地址邏輯。 第三種是高速SRAM切換方式，高速SRAM只有一套數據、地址和控制總線，可通過三態緩沖門來實現兩塊SRAM的乒乓切換操作，該方案提高了系統帶寬，缺點是切換電路控制比較復雜。
　　目前高速緩存方案中常采用三種介質：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用。第二種是SDRAM，由于需要進行刷新、預充電等操作，控制難度大于SRAM，同時由于其數據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數據帶寬的問題，在時鐘的上下沿均傳輸數據，帶寬是SDRAM的兩倍，性價比高，是目前高速緩存的最理想介質。
　　本文以Micron DDR SDRAM[1]作為緩存介質，發揮了FIFO接口簡單、DDR的容量可擴展性和高數據帶寬的優點。在工作時鐘100MHz的條件下，以FIFO作為緩存方案實現了緩存容量32MB、數據傳輸率高達360MB/s的高速圖像緩存，彌補了FIFO容量小和DDR用戶接口邏輯復雜的缺點，具有較好的應用前景。

1 系統設計
    為提高設計的可移植性和可擴展性，采用了模塊設計的方法，設計四個模塊來完成圖像緩存功能。系統框架如圖1所示。用戶層接口模塊負責與用戶進行通信，接收用戶命令和圖像數據并產生控制命令到應用層控制模塊；應用層控制模塊負責接收來自用戶層命令以及物理層控制模塊的狀態反饋信號，產生讀寫命令及DDR操作地址發送到物理控制模塊；物理層控制模塊負責接收應用層發送來的操作地址和命令以及和用戶層進行數據通信，同時負責產生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雜的操作：上電后至少等候200?滋s然后連續執行如下一連串命令：
    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→用戶發出任何有效操作命令。
    該模塊的狀態機如圖2所示，復位或者上電后進入初始化狀態，初始化完成后進入工作等待（空閑）中，由于DDR器件的構造特點，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器，刷新一行計數器便增加一，因此自動刷新的時間間隔由DDR的行數決定，本設計采用Micron MT46V32M16器件，行數為8K,計算得到相鄰自動刷新命令的間隔為7.8μs。設計中采用一個計數器，每隔7.8?滋s就發出一個自動刷新的命令，控制器在工作空閑狀態下響應并發出自動刷新命令。

　　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(Precharge)來關閉當前操作的塊、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下發出激活命令(ACTIVE)進入激活狀態，在此狀態下等候應用層發送的控制命令以進行數據操作。
　　由以上分析可知：由于存在猝發長度限制及塊和行地址切換等控制時間開銷，DDR的隨機操作的數據吞吐量實際上是有限的，不適合高速圖像緩存這種應用環境，必須設計一種新的猝發模式來提高數據吞吐量。本文結合DDR充電以及圖像緩存的特點，提出并實現了一種一次操作DDR一行、一行1 024個存儲單元的猝發模式，由于DDR只支持2、4、8長度的猝發模式，設計中采用了猝發長度為4的連續猝發方式，核心思想是在一次猝發正在進行的時候又發起操作命令從而使得該次猝發后連續進行下一次猝發。實現了一次連續操作2KB數據的高吞吐量操作。如圖2狀態機所示，當一行操作完后則進入空閑狀態，然后再進行自動刷新和充電的操作。這種猝發模式一次猝發只需要一次充電操作，而猝發長度為8的猝發模式完成2KB的數據傳輸共需要進行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，大大節省了控制開銷，提高了數據吞吐量。
1.2 應用層控制模塊
　　本設計將DDR作為FIFO的容量擴展來實現高速緩存，這需要內部產生地址邏輯。在應用層控制模塊中，負責接收用戶接口模塊送過來的命令信號，并對命令進行譯碼。判斷當前命令與上次命令一樣的時候地址繼續累加產生，當前命令與上次命令不同時則地址復位，重新從DDR的零地址開始操作，這樣符合FIFO的工作特點。模塊產生DDR的地址信號和物理層的控制信號，并根據地址邏輯產生DDR狀態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]負責接收圖像輸入數據，并提供簡易用戶接口，屏蔽了內部控制的復雜性，在用戶看來對該DDR的操作實際上就是對FIFO的操作，判斷DDR內部產生的DDR狀態信號，發出緩存或者數據讀出命令。
　　用戶接口層模塊方框圖如圖3所示。當用戶發出緩存命令時，內部狀態機自動監測圖像幀的開始位置并將一幀中的幾行數據寫入“輸入FIFO”，當此FIFO達到一次猝發操作數據量2KB時，狀態機發出DDR寫命令到下一層，并一次性讀完輸入FIFO的數據。圖像數據連續向“輸入FIFO”輸入，狀態機不間斷地檢測“輸入FIFO”的編程狀態信號并發出DDR寫命令。由于圖像數據存在行場消隱期以及DDR的行猝發寫操作效率高，因此在一定的像素時鐘條件下不會出現數據堵塞情況。

　　當用戶發出讀出命令時，狀態機自動檢測“輸入FIFO”的狀態，在可編程空信號有效時一次性向“輸出FIFO”輸入2KB數據，此時“輸出FIFO”輸出數據有效信號以提示用戶可以進行數據讀取。用戶從DDR讀出數據操作實際上就是對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內部的數據依次讀出。當用戶快要將FIFO的數據讀空的時候，狀態機發出讀命令從DDR存儲器中一次性讀出2KB數據存入“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，因此不會出現數據堵塞情況。
    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對于任何數據源的緩存，拓寬了該緩存技術的應用范圍。
1.4 時鐘管理單元模塊
　　本設計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，設計中可以采用FPGA的數字時鐘管理單元(DCM)。該模塊產生復位信號，當上電復位該模塊自動檢測復位信號，并延遲200μs產生控制器所需要的復位信號。

2 性能測試
　　使用VHDL語言[5]在ISE7.1i軟件環境下完成整個模塊的設計，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。
　　為測試該設計的最高平均緩存速度，采用邏輯分析儀采集控制器內部工作時的數據傳輸狀態。發現一行數據的猝發共需要512個時鐘周期，而刷新、充電、狀態等待等時鐘開銷只需要不到50個時鐘周期，因此，實際平均數據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據記錄的完整性，向該模塊輸入模擬產生的相機數據。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。

　　本文設計并實現了一種基于DDR的高速圖像緩存。創新地采用了行猝發操作以提高數據吞吐量。在100MHz的時鐘條件下實現峰值傳輸速率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據傳輸率還有上升空間。同時用戶可根據需求對輸入接口進行修改以應用于特殊要求的數據緩存，應用廣泛。

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硬件描述語言與數字邏輯電路設計.西安：西安電子科技大學出版社，1999.