图像处理系统中同步动态随机访问存储器控制器的设计

图像处理系统中同步动态随机访问存储器控制器的设计李博，胡建萍（杭州电子科技大学电子信息学院，浙江杭州310018）摘要：根据航拍图像处理系统的特殊要求，针对同步动态随机访问存储器的特性，设计了基于Nios II的同步动态随机访问存储器控制器，并将其应用于图像处理系统中，实现了对千万象素的电荷耦合相机的航拍图像数据进行缓存的功能。

通过对存储器内缓存的图像数据进行滤波去噪以及格式转换，可得到清晰的实时视频图像。

关键词：存储器；控制器；可编程片上系统中图分类号：TN919. 23文献标示码：A 文章编号：1001－9146(2008)0 引言航空拍摄是有效地获取地面信息的重要手段，在军事、救灾、勘探、城建、广告等领域都有广泛的应用。

传统的航拍技术采用模拟的银盐胶片，分辨率高，但图像不能实时传输。

当前数字摄像技术发展迅速，数字图像数据传输和处理更为方便，所以模拟航拍正逐步被数字航拍所取代。

美国研制的数字图像传输型的照相无人机，扫描成像型遥感器来摄制场景图像，并转换成数字信号，经数据传输系统传回地面，转换成一幅幅高清晰度图像[1]。

目前我国也在积极开展数字相机在无人机与卫星上的应用的研究工作。

在数字图像处理系统中，使用大容量存储器实现海量数据缓存是一个必不可少的环节。

静态随机访问存储器和同步动态随机访问存储器常用作外部数据缓存器。

目前国内外普遍使用静态随机访问存储器[2]，静态随机访问存储器读写速度快、控制简单，但也存在价格贵、容量小等不足。

相对于传统的静态随机访问存储器，同步动态随机访问存储器具有价格低、容量大的优势。

但是同步动态随机访问存储器的控制时序和机制比较复杂，这一定程度上限制了同步动态随机访问存储器的使用。

本文在基于Nios II的可编程片上系统中设计了一个同步动态随机访问存储器控制器，用硬件描述语言描述硬件逻辑部分，并编写相关驱动，下载到现场可编程门阵列中，实现对片外同步动态随机访问存储器进行图像数据的读写。

1 硬件构成在Nios II中，中央处理器通过Avalon总线[3]与各个外设进行通信，所以同步动态随机访问存储器控制器必须符合Avalon总线规范。

如图1所示，一个同步动态随机访问存储器控制器由用户行为模块、寄存器和总线接口3部分组成。

用户行为模块是实现同步动态随机访问存储器控制器的逻辑功能的核心部分。

寄存器是对模块内部寄存器读写的通道。

总线接口是与Avalon总线直接接口的顶层模块。

Avalon总线通过顶层接口模块对寄存器进行操作，从而实现对行为模块的访问和控制。

———————————————收稿日期：2008年6月30日作者简介：李博（1980－），男，江西抚州人，在读研究生，电子信息系统集成．图1 同步动态随机访问存储器控制器的硬件逻辑1.1 设计用户行为模块使用硬件描述语言以有限状态机的形式对同步动态随机访问存储器的工作逻辑进行描述[4]，生成sdram_controller.vhd文件。

状态机包括了初始化、空闲、寄存器赋值、读、写和自动刷新等状态，如图2所示。

图2 同步动态随机访问存储器控制器的状态转移图初始化状态包括了向同步动态随机访问存储器发送上电延时命令、发预充电命令、发开始自动刷新命令、设置模式寄存器等子状态。

初始化结束后，系统进入空闲状态，刷新计数器开始工作。

刷新请求是内部请求，读写操作是外部请求，所以在空闲状态中，当同时出现刷新请求和读写操作请求时，系统优先响应内部的刷新请求，进入刷新操作状态。

刷新操作结束后，系统回到空闲状态。

当有读、写操作请求时，系统进入读状态或写状态。

读状态和写状态包括锁存读、写地址及需写入的数据到控制器，控制器向同步动态随机访问存储器发送激活命令、读/写命令，完成读写操作。

为方便起见，发送的是自动预充电的读/写命令，同步动态随机访问存储器内部会在读、写结束时自动进行预充电。

1.2 设计寄存器寄存器由一系列寄存器组成，这些寄存器是根据用户行为模块中需要完成的逻辑功能来设定的。

寄存器规定了如何对寄存器进行读写。

用户行为模块和总线接口通过寄存器进行数据转换和传输。

本设计的寄存器即sdram_controller_register_file.vhd文件设定了命令控制字寄存器command_reg、地址寄存器address_reg、写数据寄存器write_reg和读数据寄存器read_reg。

1.3设计总线接口总线接口是同步动态随机访问存储器控制器外设与Avalon总线进行接口通信的一个顶层模块，并对用户行为模块和寄存器进行例化和封装，使其信号符合Avalon总线规范。

在本设计的sdram_controller_avalon_interface.vhd文件中，与Avalon总线接口的信号是clk, resetn, avalon_chip_select, address, read, write, write_data, read_data，与同步动态随机访问存储器控制器控制器接口的信号是CLK, CMD，CMDACK，ADDR，DATAIN，DM，DA TAOUT。

2 软件部分设计好同步动态随机访问存储器控制器的硬件部分后，需要设计相关的软件驱动程序，使用户可以通过硬件抽象层系统库，采用C标准库程序对硬件进行编程。

软件驱动部分的结构图如图3所示。

图3 软件部分结构图2.1 设计寄存器硬件接口altera_avalon_sdram_ctrl _regs.h头文件是最底层的也是唯一的硬件接口，定义了与同步动态随机访问存储器控制器相关的数据结构、常量和读写寄存器的函数原形等[5]，如：#define IORD_ALTERA_A V ALON_SDRAM_ DATA_ READ(base) IORD(base, 0)；2.2 设计硬件抽象层系统库altera_avalon_sdram_ctrl_routines.h是altera_avalon_ sdram_ctrl _routines.c的头文件，为altera_avalon_ sdram_ctrl _routines.c定义常数，包含了实现驱动功能的函数声明等相关信息。

altera_avalon_ sdram_ctrl _routines.c包含了具体实现对同步动态随机访问存储器进行读写功能的子函数，如写数据函数代码：void altera_avalon_sdram_write(unsigned int address,alt_u8 ctrl,alt_u16 addr,alt_u8 data) {IOWR_ALTERA_A V ALON_SDRAM_CTRL_WRITE(address, ctrl); }2.3编写用户应用程序hello_pic_sdram.c是用户应用程序，实现了图像处理系统对同步动态随机访问存储器进行图像数据的读写功能。

在hello_pic_sdram.c程序中，通过使用“IOWR(SDRAM_BASE, i,PIC[i]);”语句将图像数据写入同步动态随机访问存储器中，该图像数据为4 096×3 072×8位，将近1 300万象素。

通过“IORD(SDRAM_BASE, k);”语句将同步动态随机访问存储器中的图像数据读出。

3组建带同步动态随机访问存储器控制器的图像处理系统使用Quartus II的SOPC Builder中的新建器件功能添加设计好的文件，根据Avalon总线规范设置相关的参数，生成同步动态随机访问存储器控制器的IP核。

在SOPC Builder中调用该IP核，并添加其他组件，组成一个Nios II系统。

虽然同步动态随机访问存储器的最高工作频率可达133MHz，但为了减少因频率过高而引起的干扰，保证图像数据能稳定传输，故系统中同步动态随机访问存储器的实际工作频率为50MHz，读出或写入一帧图像数据需要约250ms。

为保证系统以2帧/s的速度拍照，采用两片同步动态随机访问存储器进行乒乓操作。

当向第一个存储器写入一帧图像数据时，第二个存储器处于读出状态；当向第二个存储器写入下一帧图像数据时，第一个存储器处于读出状态。

两片存储器交替读写，提高了数据处理效率。

在Quartus II工程中调用Nios II系统，并添加外部时钟锁相环模块，以产生系统所需的50M时钟信号、VGA显示器所需的25M时钟信号以及同步动态随机访问存储器所需的50M 时钟信号。

同步动态随机访问存储器所需的50M时钟信号需要比系统的50M时钟信号延时一段时间[6]，经调试得到本系统的延时为3ns。

硬件设计完成后，在Nios II IDE环境中，运行用户应用程序，验证可知，图像处理系统可以成功地将从电荷耦合相机采集并经模数转换得到的图像数据写入同步动态随机访问存储器进行缓存，并从同步动态随机访问存储器中读出到显示模块进行显示，图像清晰完整。

4 采用同步动态随机访问存储器及其控制器的优势航拍系统使用4 096×3 072×8位的电荷耦合相机相机，按2帧/s的速度进行拍照，每帧照片大小为12.6M字节。

结合性价比来考虑，在相同价位条件（约25元/片）下，目前市场上较通用的静态随机访问存储器的容量仅为512k字节，容量远不能达到存储图像数据的要求；而本系统选用的HY57V561620[7]型同步动态随机访问存储器，每片容量为32M字节，完全能够满足要求。

基于Nios II的同步动态随机访问存储器控制器占用系统资源较少。

本系统使用Altera 公司的EP2C35F672C6型现场可编程门阵列，在Quartus II中对工程进行编译，仅消耗9％的逻辑单元和一个锁相环（总共4个），这为后续设计中的图像滤波去噪、压缩解压和无线传输等功能模块留有丰富的资源。

5 结束语本文设计了基于Nios II的同步动态随机访问存储器控制器，并成功地将该控制器应用于航拍图像处理系统中，实现了对同步动态随机访问存储器进行海量图像数据的读写功能。

同步动态随机访问存储器具有容量大、读写速度快、价格低等优势，基于Nios II的同步动态随机访问存储器控制器充分发挥了同步动态随机访问存储器的优势，并使同步动态随机访问存储器的复杂控制变得简单通用，可移植性增强。

该图像处理系统采用先进的可编程片上系统技术设计理念，结合嵌入式系统设计思想，采用软硬件协同设计的方法，能够满足对航拍图像数据进行实时处理的要求。

参考文献[1] 屈平．发展中的航空航天照像技术[J]．影像技术，2006，18（5）：42-45．[2] 桑野雅彦(日)．存储器IC的应用技巧:UV-EPROM/EEPROM/SRAM/DRAM的结构与使用方法[M]．北京：科学出版社，2006：97-112．[3] 潘松，黄继业．SOPC技术实用教程[M] ．北京：清华大学出版社，2005：302-305．[4] 潘松，黄继业．EDA技术与VHDL[M]．北京：清华大学出版社，2005：201-215．[5] 江国强．SOPC技术与应用[M]．北京：机械工业出版社，2006：128-134．[6] 张志刚．FPGA与SOPC设计教程[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2007：153-155．[7] Hynix．HY57V561620 [DB/OL]．/PartnoView.asp?id=17117_634305，2001-11-06．The Design of SDRAM controllerLI bo, HU Jian-ping( School of Electronics & Information, Hangzhou Dianzi University,Hangzhou Zhejiang 310018,China)Abstract: According to the special request of the aerial photography system, and to target the characteristic of SDRAM, we design the SDRAM controller based on Nios II, and use the controller in the system of image processing to realize the cache functions of the aerial photography image data taken by the 10 million pixels CCD digital camera. By filtering and denoising the image data in the memory, and transforming the form of the data, clear real time video image can be gotten.Key words: memory；controller；SOPC。