适应多种时序的DMA控制器设计

　　本文所设计的可适应于多种时序情况的DMA控制器，被应用于该图像协处理器之中后，能够很好地解决问题。

　　1 图像协处理器的系统结构

　　图1所示为该DMA控制器所处图像协处理器的系统结构，下面将对其的系统构成和数据流程做详细说明。

　　

 

　　1.1 系统构成

　　基带芯片为移动终端设备的系统控制核心。其通过外部存储器接口总线(External eMI，Memory InteRFace bus)与该图像协处理器的控制端口相连。基带芯片不仅控制着图像协处理器所有模块的工作模式，而且负责图像数据的传送。EMI总线数据线宽度为16位，其控制的图像显示终端为分辨率为320x240的LCD。

　　图像传感器(sensor)为感光器件，其将接收到的光信号转为电信号，并在内部通过模拟/数字转换产生数字图像，在该图像协处理器设计中采用分辨率为640x480的图像传感器，其的工作时钟为24 MHz。

　　图像处理模块，即ISP(Image Signal Processing)模块被用于图像处理，包括去坏点、去噪声、边界增强等功能。

　　图像压缩模块被用于对图像处理模块输出的YUV422格式数据进行JPEG压缩。

　　SD卡控制器模块负责与SD卡的命令和数据交互，所有对SD卡的操作都由基带芯片配置SD卡控制器的相关寄存器完成。其与SD卡的接口包括CLK(SD卡的时钟信号线)、CMD(SD卡的命令线)、DATA0～DATA3(SD卡的4根数据线)。在与SD卡的数据交互中，一般是以block(512字节) 为单位的，并且在启动写卡命令之后，SD卡控制器必须在250 ms(SD version 2.0)内将所有数据写入SD卡中。

　　DMA控制器为基带芯片与SD卡控制器的接口模块，用于对写卡数据和读卡数据做暂时存储。其的本质功能是协调基带芯片和SD卡控制器之间的速度差异。存储数据的DMA存储器容量为5 120字节，即10个block数据。

　　1.2 数据流程

　　在该图像协处理器中，所有模块时钟频率均为48 MHz，其被2分频之后送至图像传感器，图像传感器以24 MHz频率送出格式为YUV422的640x480图像。

　　该图像协处理器有2种模式：图像预览模式和连拍模式。图像预览模式用于拍照前的图像预览，拍照者可以在LCD上看到将被拍下的图像。连拍模式用于连续拍摄图像，并将每一幅拍下的照片存入SD卡当中。

　　1.2.1 图像预览模式的数据流程

　　在图像预览模式下，图像传感器以24 MHz频率送出分辨率为640x480且格式为YUV422的图像，帧率为30帧/s。数据被48 MHz系统时钟同步后送入图像处理模块。图像处理模块将针对图像传感器的特点对图像进行处理以提高图像质量，然后将图像分辨率从640x480缩小至 320x240以适应LCD的显示分辨率，并将数据格式从YUV422转为RGB565。最后，基带芯片通过EMI接口将图像数据读出，直接写入LCD的显示缓冲区后在LCD上显示出来。

　　1.2.2 连拍模式的数据流程

　　当基带芯片启动连拍模式后，其首先配置图像传感器，使其以10帧/s的帧率送出分辨率为640x480的数字图像，数据格式仍然为YUV42 2。此时每帧的周期为100 ms，其中帧有效时间为30 ms，帧消隐时间为70 ms。

　　当数据送入图像处理模块后，该模块仍对图像进行处理并将图像分辨率从640x480缩小至320x240，之后将数据格式从YUV422转为RGB56 5。基带芯片也仍然通过EMI接口将该图像数据读出，并直接写入LCD的显示缓冲区中，这样在连拍的时候，仍可以在LCD上看到被拍下的图像。

　　图像处理模块在送出预览数据的同时也将320x240的YUV422数据送至图像压缩模块。为了兼顾压缩比和图像质量，一般配置压缩比在10：1左右，这样一幅320x240的图像经JPEG压缩后的数据量为320x240x2/10=15 360字节。为留出适当的备用空间，图像压缩模块将编码之后的数据存入一个容量为8 192x16位的存储器中，在此命名为JPEG_MEM。当一幅图像编码完成时，即在图像传感器进入帧消隐阶段之后，JPEG_MEM中已经存了一幅压缩之后的图像。随后图像压缩模块向基带芯片发出中断信号，基带芯片在从图像处理模块接收了当前预览图像的最后一部分数据并送LCD显示后，将响应该中断，从 JPEG_MEM中读出JPEG格式图片，存入片外的存储器中。经实际测试可知，基带芯片做一次EMI读取大约需要时间250 ns，因为EMI数据线宽度为16位，所以在此250 ns内基带芯片将从JPEG_MEM中读出2个字节，这样读完所有15 360个字节需要15 360x250/2=1.92 ms。在基带芯片读取JPEG数据之前，其将最后一部分预览数据读出并送LCD显示也需要1 ms左右，至此每帧图像70 ms的帧消隐时间在基带芯片读完JPEG数据后还剩余70-1-1.92=67.08 ms。

　　当基带芯片读完JPEG数据后，将立即准备将数据写入SD卡中。其首先将操作文件链表，在SD卡上为即将写入的JPEG图片分配相应空间，并将这些空间的原内容擦除。因为在写卡和擦卡之后，SD卡需要过一定时间后才能接受新的命令，所以操作文件链表和擦卡比较耗时间，一般需要15 ms左右。在此之后，为了提高写卡速度，基带芯片先将一部分数据(如512字节)利用DMA控制器写入存储器中，这需要的时间为250 nsx512/2=0.064 ms，然后配置SD卡控制器向SD卡发出CMD25(multiply block write conlluand)命令。基带芯片设置每个CMD25向卡写入10个block数据。在接收到SD卡发回的响应后，SD卡控制器将利用DMA接口从 DMA存储器中读出图像数据并同时将数据写入SD卡中。在SD卡控制器写卡的同时，基带芯片将剩余的9个block数据写入DMA存储器。SD卡的时钟频率为24 MHz，为其工作在4根数据线模式时，其传送完所有5 120字节的数据只需要42nsx2x5120=0.43 ms。但是基带芯片写完剩余的9个block需要250nsx512x9/2=0.576 ms>0.43 ms，所以从基带芯片写第1个block开始到SD卡控制器把最后一个block写入SD卡大约需要时间为 0.064+0.576+0.045=0.685 ms。在此之后，SD卡将进入编程状态(programming状态)，这段时间因卡而异，在实际调试中使用的卡一般编程状态会持续5 ms左右。至此基带芯片完成一次5 120字节的写卡需要时间为：15+0.685+5=20.685ms。如前所述每幅JPEG压缩后的320x240的图片大约为15360字节，即30 个block，所以写完一幅图片需要的总时间约为3x20.685=62.055ms，其小于前面计算的67.08ms，所以基带芯片和SD卡控制器可以在每帧图像的帧消隐时间内完成写卡操作。

　　2 DMA控制器的实现

　　2.1 DMA控制器接口

　　为了更准确地描述该DMA控制器的工作流程，其主要接口信号介绍如下。DMA控制器与3部分逻辑的接口为：基带芯片的EMI接口、DMA存储器接口、SD卡控制器。

　　1)与基带芯片的接口 这个接口中，与该DMA控制器关系最密切的信号是host_dma_wr，其为基带芯片送给DMA存储器的写信号，这个信号低电平有效。

　　2)DMA存储器接口 dma_memory_addr为DMA存储器的地址信号。为了能够保存10个block的数据，DMA存储器的容量为2560x16=5120字节，所以dma_memory_addr的位宽为12位;drag_memory_datain为DMA存储器的数据输入端口，位宽为16 位;dma_memory_dataout为DMA存储器的数据输出端口，位宽为16位;dma_memory_wen为DMA存储器的写使能信号，低电平有效。

　　3)SD卡控制器接口 dma_req是SD卡控制器发出的DMA请求信号，高电平有效。其为DMA控制器做速度协调的重要信号，如果其为高则表示SD卡控制器要求与DMA存储器做DMA传送;如果该信号被置低，可能存在两种情况，①可能是本次DMA传送已经完成，②可能是SD卡控制器的读或写卡速度低于其操作DMA存储器的速度，所以SD卡控制器暂停DMA操作;dma_write是SD卡控制器发出的DMA写标志信号。如果其为1表示SD卡控制器在做读卡操作，并准备将读出的数据写入DMA存储器;如果其为0表示SD卡控制器在做写卡操作，并准备从DMA存储器中读取数据;dma_ ack是DMA控制器发给SD卡控制器的应答信号，其相当于DMA传输数据的有效信号;dma_rdata是DMA读模式的数据输出端口，位宽为32 位;dma_ wdata是DMA写模式的数据输入端口，位宽为32位。

　　2.2 DMA控制器的工作流程

　　为了使DMA控制器能更灵活地适应各种操作情况并很好的完成2个操作源(基带芯片、SD卡控制器)的速度匹配功能。下面将分别就multi-ple block write命令(CMD25)和multiple block read命令(CMD18)对该状态机的工作流程进行说明。

　　先将状态机中的几个重要变量做如下说明：

　　dma_num表示在一次多block读(CMD18)或写(CMD25)操作中，要向卡写入或读出多少个字节的数据。在该图像协处理器中，每次读或写卡都要操作10个block数据，所以dma_num将被设置为5 120;

　　dma_in_cnt表示在一次多block写卡操作中，基带芯片已经向DMA存储器中写入了多少个字节的数据;

　　dam_cnt表示在本次多block操作中，SD卡控制器从DMA存储器中读出数据的字节数(DMA读模式)或写入DMA存储器中的数据字节数(DMA写模式)。

　　显然，在该图像协处理器中，每个CMD18和CMD25完成之后，dam_in_cnt和dma_cnt都将与dma_num相等，且均为5 120。