适用于图像检测压缩系统的内存存取方式

为了兼具可扩展性和数据处理速度，对于各种应用，如图像数据侦错、视频数据压缩、音频数据增益、马达控制等，可编程数据处理模块(Programmable Data Processing Module)是时势所需。 

在处理的数据量越来越大的情况下，所需的内存容量随之增大，以往的先进先出队列(First-In-First-Out, FIFO)无法满足其高速度与大容量的需求，许多硬件工程师开始考虑使用DRAM的可能性。 

DRAM具备可快速存取、可依照设计者规划使用空间、大容量等优点，但是内存数组需要重新充电，而双倍数据速率同步动态随机存取内存( DDR SDRAM)有数据相位同步等不易控制的问题，不如FIFO使用方便。因此，在使用FPGA进行设计时，搭配其供货商所提供的RAM控制IP，再加上硬件工程师所开发的控制逻辑，是当前数据控制存取的发展趋势。 

本文的构想是在此DRAM控制IP上增加一层包装(Wrapper)，使之拥有FIFO接口，具有多端口内存存取控制(MPMA: Multi-Port Memory Access)功能。既可以保持大容量、存取速度快等优点，也可增添FIFO接口容易的优点。在设计过程中，DRAM空间可随设计师的定义而拥有更高的弹性。如图1所示，此DRAM拥有两个写入端口和两个读出端口。对于每个写入端口，其数据可以从起始地址连续写入，直到结束地址之后，再从起始地址继续写入，形成循环式(Circular)写入方式。对于每个读出端口，其数据的读出可使用类似于循环写入的方式，而且只要写入到内存的数据数量比读出的数据数量多，即是合理的类FIFO存取方式。 



图1 有两个写端口和两个读端口的DRAM控制槽 

MPMA如何应用于数据处理模块 

在许多需要对大量信息进行运算处理的应用中，需要极大的缓存，与一个4KB FIFO的价格相比，买一个32Mb的DRAM更合适些。不过，其复杂的存取控制是一大问题。所以在编写FPGA的HDL算法时，可利用FPGA供货商所提供的IP构成解决方案。 

对于所需处理的数据量重复性较高的应用，例如图2所示的图像原始数据用图像侦错处理算法来侦测P4点是否错误，需要将它周围的8个点当作参考数据来对比，若使用FIFO，可能无法同时存取到此三条线(Line)的数据，所以使用DRAM存取大量的数据。 



图2 图像原始数据点数组 

由于DRAM的控制方式比较复杂，每存取一次就要重新计算其欲存取的数据地址，根据其数据地址的连续性，可在图像原始数据写入后，分为三个端口以连续地址的方式读出。如图2所示，第一端口连续读出P0、P1、P2，第二端口连续读出P4、P5、P6，第三端口连续读出P8、P9、P10，则可以完成P5点侦错的计算；而在计算P6点是否出错时，第一端口只要再读出P3，第二端口读出P7，第三端口读出P11，就可以完成计算前数据的完备，大大提高了数据的使用率，采用连续读取的机制，不用在每次计算前计算数据地址，只要每一端口均先连续读取数据即可完成，也降低了DRAM控制的复杂度。 

MPMA的实现 

下面以Altera MegaCore IP Generator产生的DDR DRAM控制器为例，再加上自创的Wrapper逻辑，构建一进(32位进)一出(8位出)的MPMA存取端口，图3为其方块架构图。 



图3 一进一出的MPMA存取端口 

在此架构中，Altera DDR DRAM 控制与写/读wrapper间的数据带宽为64位，而通过wrapper逻辑，更可自由地编写输入与输出带宽。在写/读wrapper中，数据的地址计算采用累进式累加方式，其存取接口类似于FIFO的存取，因而更容易实现大容量数据的存取。 

每个wrapper中有一个小容量的FIFO、封装(packing)/反封装(un-packing)机制以及地址累进计数器。FIFO用于调节使用者接口与DRAM频域的差异；封装/反封装机制用于将输入/输出接口数据总线宽度调整至与DRAM控制IP接口相同的水平，以利于提高写入/读出DRAM数据的效率。地址累进计数器是每个wrapper的DRAM地址产生器，只要写入wrapper里的计数器数字大于读出wrapper里的计数器，则所读出的必为先前已经写入DRAM里的合法数据，不会存取到错误地址的数据。 

MPMA提高效率 

以图2的点P5为例，若不使用wrapper，则此点数据会被写入1次，而在运算的时候被读出1(当作主要运算点)+8(当作参考数据点)次。当一幅有n点数据的图像需要做侦错处理时，则需要n*(1+1+8)次的数据存取，还不包括地址计算所造成的延迟。 

当使用一进三出的MPMA wrapper时，P5点只需要被写入1次，而在运算的时候被读出3(3个读wrapper各需要读取1次)次，则同样的n点数据作完侦错处理只需要n*(1+3)次的数据存取，并且采用累进式的DRAM地址计算，不需要花费额外的延迟时间。由此可知，MPMA设计可提高2倍以上的数据存取效率。 

结语 

本文提出一种架构，在FPGA供货商所提供的IP核上添加写入/读出wrapper，具有数据的高度重复使用率与容易操作的类FIFO接口等优点。设计师更可自行定义MPMA wrapper输入/输出端口的个数与数据总线宽度，以提高数据使用率。 

凌华科技已将此技术应用于大数据量的图像采集/处理/传输模块，尤其是线阵扫描(Line-Scan)图像采集系统，因为在检测时，需要在FPGA上执行图像数据计算的算法，一方面需要大容量的图像数据缓存，另一方面需要反复读取图像数据，则此技术是必需的。