可適應(yīng)多種時(shí)序情況的DMA控制器設(shè)計(jì)

摘要：在以SD卡為圖像存儲(chǔ)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(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。為解決此問題，設(shè)計(jì)了一種可適應(yīng)多種時(shí)序情況的DMA控制器。該DMA控制器的狀態(tài)機(jī)，一方面對(duì)基帶芯片和SD卡控制器的操作請(qǐng)求進(jìn)行仲裁，在響應(yīng)基帶芯片請(qǐng)求的同時(shí)，適當(dāng)推遲SD卡控制器的請(qǐng)求；另一方面對(duì)DMA讀寫的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)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(duì)基帶芯片和SD卡控制器的速度做出判斷，必要時(shí)暫停速度較快一方的操作。實(shí)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(dá)到210 kB／s。
關(guān)鍵詞：移動(dòng)終端；基帶芯片；圖像處理；SD卡；DMA控制器

目前，以手機(jī)為代表的移動(dòng)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(tái)。此平臺(tái)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(chǔ)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(duì)圖像協(xié)處理器的設(shè)計(jì)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(chǔ)更多的數(shù)字圖像，這里介紹一種以SD卡為圖像存儲(chǔ)器件的圖像協(xié)處理器。采用SD卡存儲(chǔ)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(dòng)終端設(shè)備的系統(tǒng)要求；2)SD卡的存儲(chǔ)容量非常大，目前最高可達(dá)到32GB，另外其最高時(shí)鐘頻率為25MHz，讀寫的極限速度可以達(dá)到12.5MB／s。所以SD卡對(duì)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(chǔ)器件。
但SD卡控制器對(duì)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(shí)可能被某個(gè)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(gè)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(dāng)基帶芯片要寫入新的數(shù)據(jù)時(shí)，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(shí)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(jì)的可適應(yīng)于多種時(shí)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(duì)其的系統(tǒng)構(gòu)成和數(shù)據(jù)流程做詳細(xì)說明。

1．1 系統(tǒng)構(gòu)成
基帶芯片為移動(dòng)終端設(shè)備的系統(tǒng)控制核心。其通過外部存儲(chǔ)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(fù)責(zé)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(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，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(jì)中采用分辨率為640x480的圖像傳感器，其的工作時(shí)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(diǎn)、去噪聲、邊界增強(qiáng)等功能。
圖像壓縮模塊被用于對(duì)圖像處理模塊輸出的YUV422格式數(shù)據(jù)進(jìn)行JPEG壓縮。
SD卡控制器模塊負(fù)責(zé)與SD卡的命令和數(shù)據(jù)交互，所有對(duì)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(shí)鐘信號(hào)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(dòng)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(duì)寫卡數(shù)據(jù)和讀卡數(shù)據(jù)做暫時(shí)存儲(chǔ)。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(chǔ)數(shù)據(jù)的DMA存儲(chǔ)器容量為5 120字節(jié)，即10個(gè)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(shí)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(dāng)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(shí)鐘同步后送入圖像處理模塊。圖像處理模塊將針對(duì)圖像傳感器的特點(diǎn)對(duì)圖像進(jìn)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(dāng)基帶芯片啟動(dòng)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(shí)每幀的周期為100 ms，其中幀有效時(shí)間為30 ms，幀消隱時(shí)間為70 ms。
當(dāng)數(shù)據(jù)送入圖像處理模塊后，該模塊仍對(duì)圖像進(jìn)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(shí)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(shí)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(dāng)?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(gè)容量為8 192x16位的存儲(chǔ)器中，在此命名為JPEG_MEM。當(dāng)一幅圖像編碼完成時(shí)，即在圖像傳感器進(jìn)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(hào)，基帶芯片在從圖像處理模塊接收了當(dāng)前預(yù)覽圖像的最后一部分?jǐn)?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(chǔ)器中。經(jīng)實(shí)際測(cè)試可知，基帶芯片做一次EMI讀取大約需要時(shí)間250 ns，因?yàn)镋MI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(gè)字節(jié)，這樣讀完所有15 360個(gè)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(shí)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(dāng)基帶芯片讀完JPEG數(shù)據(jù)后，將立即準(zhǔn)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?yàn)樵趯懣ê筒量ㄖ?，SD卡需要過一定時(shí)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(shí)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?jǐn)?shù)據(jù)(如512字節(jié))利用DMA控制器寫入存儲(chǔ)器中，這需要的時(shí)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?；鶐酒O(shè)置每個(gè)CMD25向卡寫入10個(gè)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(chǔ)器中讀出圖像數(shù)據(jù)并同時(shí)將數(shù)據(jù)寫入SD卡中。在SD卡控制器寫卡的同時(shí)，基帶芯片將剩余的9個(gè)block數(shù)據(jù)寫入DMA存儲(chǔ)器。SD卡的時(shí)鐘頻率為24 MHz，為其工作在4根數(shù)據(jù)線模式時(shí)，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(gè)block需要250nsx512x9／2=0．576 ms>0．43 ms，所以從基帶芯片寫第1個(gè)block開始到SD卡控制器把最后一個(gè)block寫入SD卡大約需要時(shí)間為0．064+0．576+0．045=0．685 ms。在此之后，SD卡將進(jìn)入編程狀態(tài)(programming狀態(tài))，這段時(shí)間因卡而異，在實(shí)際調(diào)試中使用的卡一般編程狀態(tài)會(huì)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(shí)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(gè)block，所以寫完一幅圖片需要的總時(shí)間約為3x20.685=62.055ms，其小于前面計(jì)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(shí)間內(nèi)完成寫卡操作。