基于DDRAM控制IP的I/O設(shè)計(jì)方案

為了兼具可擴(kuò)展性和數(shù)據(jù)處理速度，對于各種應(yīng)用，如圖像數(shù)據(jù)偵錯(cuò)、視頻數(shù)據(jù)壓縮、音頻數(shù)據(jù)增益、馬達(dá)控制等，可編程數(shù)據(jù)處理模塊（Programmable Data Processing Module）是時(shí)勢所需。

在處理的數(shù)據(jù)量越來越大的情況下，所需的內(nèi)存容量隨之增大，以往的先進(jìn)先出隊(duì)列（First-In-First-Out， FIFO）無法滿足其高速度與大容量的需求，許多硬件工程師開始考慮使用 DRAM 的可能性。

DRAM 具備可快速存取、可依照設(shè)計(jì)者規(guī)劃使用空間、大容量等優(yōu)點(diǎn)，但是內(nèi)存數(shù)組需要重新充電，而雙倍數(shù)據(jù)速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存（ DDR SDRAM）有數(shù)據(jù)相位同步等不易控制的問題，不如 FIFO 使用方便。因此，在使用 FPGA 進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，搭配其供貨商所提供的 RAM 控制 IP，再加上硬件工程師所開發(fā)的控制邏輯，是當(dāng)前數(shù)據(jù)控制存取的發(fā)展趨勢。

本文的構(gòu)想是在此 DRAM 控制 IP 上增加一層包裝（Wrapper），使之擁有 FIFO 接口，具有多端口內(nèi)存存取控制（MPMA： Multi-Port Memory Access）功能。既可以保持大容量、存取速度快等優(yōu)點(diǎn)，也可增添 FIFO 接口容易的優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)過程中，DRAM 空間可隨設(shè)計(jì)師的定義而擁有更高的彈性。如圖 1 所示，此 DRAM 擁有兩個(gè)寫入端口和兩個(gè)讀出端口。對于每個(gè)寫入端口，其數(shù)據(jù)可以從起始地址連續(xù)寫入，直到結(jié)束地址之后，再從起始地址繼續(xù)寫入，形成循環(huán)式（Circular）寫入方式。對于每個(gè)讀出端口，其數(shù)據(jù)的讀出可使用類似于循環(huán)寫入的方式，而且只要寫入到內(nèi)存的數(shù)據(jù)數(shù)量比讀出的數(shù)據(jù)數(shù)量多，即是合理的類 FIFO 存取方式。

圖 1 有兩個(gè)寫端口和兩個(gè)讀端口的 DRAM 控制槽

MPMA 如何應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理模塊

在許多需要對大量信息進(jìn)行運(yùn)算處理的應(yīng)用中，需要極大的緩存，與一個(gè) 4KB FIFO 的價(jià)格相比，買一個(gè) 32Mb 的 DRAM 更合適些。不過，其復(fù)雜的存取控制是一大問題。所以在編寫 FPGA 的 HDL 算法時(shí)，可利用 FPGA 供貨商所提供的 IP 構(gòu)成解決方案。

對于所需處理的數(shù)據(jù)量重復(fù)性較高的應(yīng)用，例如圖 2 所示的圖像原始數(shù)據(jù)用圖像偵錯(cuò)處理算法來偵測 P4 點(diǎn)是否錯(cuò)誤，需要將它周圍的 8 個(gè)點(diǎn)當(dāng)作參考數(shù)據(jù)來對比，若使用 FIFO，可能無法同時(shí)存取到此三條線（Line）的數(shù)據(jù)，所以使用 DRAM 存取大量的數(shù)據(jù)。

圖 2 圖像原始數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)組

由于 DRAM 的控制方式比較復(fù)雜，每存取一次就要重新計(jì)算其欲存取的數(shù)據(jù)地址，根據(jù)其數(shù)據(jù)地址的連續(xù)性，可在圖像原始數(shù)據(jù)寫入后，分為三個(gè)端口以連續(xù)地址的方式讀出。如圖 2 所示，第一端口連續(xù)讀出 P0、P1、P2，第二端口連續(xù)讀出 P4、P5、P6，第三端口連續(xù)讀出 P8、P9、P10，則可以完成 P5 點(diǎn)偵錯(cuò)的計(jì)算；而在計(jì)算 P6 點(diǎn)是否出錯(cuò)時(shí)，第一端口只要再讀出 P3，第二端口讀出 P7，第三端口讀出 P11，就可以完成計(jì)算前數(shù)據(jù)的完備，大大提高了數(shù)據(jù)的使用率，采用連續(xù)讀取的機(jī)制，不用在每次計(jì)算前計(jì)算數(shù)據(jù)地址，只要每一端口均先連續(xù)讀取數(shù)據(jù)即可完成，也降低了 DRAM 控制的復(fù)雜度。

MPMA 的實(shí)現(xiàn)

下面以 Altera MegaCore IP Generator 產(chǎn)生的 DDR DRAM 控制器為例，再加上自創(chuàng)的 Wrapper 邏輯，構(gòu)建一進(jìn)（32 位進(jìn)）一出（8 位出）的 MPMA 存取端口，圖 3 為其方塊架構(gòu)圖。

圖 3 一進(jìn)一出的 MPMA 存取端口

在此架構(gòu)中，Altera DDR DRAM 控制與寫 / 讀 wrapper 間的數(shù)據(jù)帶寬為 64 位，而通過 wrapper 邏輯，更可自由地編寫輸入與輸出帶寬。在寫 / 讀 wrapper 中，數(shù)據(jù)的地址計(jì)算采用累進(jìn)式累加方式，其存取接口類似于 FIFO 的存取，因而更容易實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的存取。

每個(gè) wrapper 中有一個(gè)小容量的 FIFO、封裝（packing）/ 反封裝（un-packing）機(jī)制以及地址累進(jìn)計(jì)數(shù)器。FIFO 用于調(diào)節(jié)使用者接口與 DRAM 頻域的差異；封裝 / 反封裝機(jī)制用于將輸入 / 輸出接口數(shù)據(jù)總線寬度調(diào)整至與 DRAM 控制 IP 接口相同的水平，以利于提高寫入 / 讀出 DRAM 數(shù)據(jù)的效率。地址累進(jìn)計(jì)數(shù)器是每個(gè) wrapper 的 DRAM 地址產(chǎn)生器，只要寫入 wrapper 里的計(jì)數(shù)器數(shù)字大于讀出 wrapper 里的計(jì)數(shù)器，則所讀出的必為先前已經(jīng)寫入 DRAM 里的合法數(shù)據(jù)，不會(huì)存取到錯(cuò)誤地址的數(shù)據(jù)。

MPMA 提高效率

以圖 2 的點(diǎn) P5 為例，若不使用 wrapper，則此點(diǎn)數(shù)據(jù)會(huì)被寫入 1 次，而在運(yùn)算的時(shí)候被讀出 1（當(dāng)作主要運(yùn)算點(diǎn)）+8（當(dāng)作參考數(shù)據(jù)點(diǎn)）次。當(dāng)一幅有 n 點(diǎn)數(shù)據(jù)的圖像需要做偵錯(cuò)處理時(shí)，則需要 n*（1+1+8）次的數(shù)據(jù)存取，還不包括地址計(jì)算所造成的延遲。

當(dāng)使用一進(jìn)三出的 MPMA wrapper 時(shí)，P5 點(diǎn)只需要被寫入 1 次，而在運(yùn)算的時(shí)候被讀出 3（3 個(gè)讀 wrapper 各需要讀取 1 次）次，則同樣的 n 點(diǎn)數(shù)據(jù)作完偵錯(cuò)處理只需要 n*（1+3）次的數(shù)據(jù)存取，并且采用累進(jìn)式的 DRAM 地址計(jì)算，不需要花費(fèi)額外的延遲時(shí)間。由此可知，MPMA 設(shè)計(jì)可提高 2 倍以上的數(shù)據(jù)存取效率。