CameraLink接口的高速電子存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

（1.海軍駐鄭州地區(qū)軍事代表室 鄭州 450047）（2.中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所 鄭州 450047）

1 引言

隨著圖像傳感器制造工藝的不斷提高，數(shù)字?jǐn)z相機(jī)的分辨率和幀頻也不斷提高、這使得數(shù)字?jǐn)z相機(jī)輸出的數(shù)據(jù)率也隨之提高，數(shù)字?jǐn)z相機(jī)和圖像采集設(shè)備之間的通信速率變得非常重要。

在某項(xiàng)目中，前端數(shù)字相機(jī)分辨率為1024×1024 像素，幀頻高達(dá)120幀／秒，8／10／12 位Base CameraLink 輸出，要求將數(shù)字相機(jī)的圖像采集下來并進(jìn)行存儲(chǔ)，并具備網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)的接口。由此，可以計(jì)算出如果攝相機(jī)輸出為12位的話，其數(shù)據(jù)將達(dá)到1.44Gbps，對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備的數(shù)據(jù)通信速率、存儲(chǔ)容量和管理都提出了較高的要求；針對(duì)上述要求，筆者設(shè)計(jì)了基于Nand Flash電子存儲(chǔ)芯片的大容量電子存儲(chǔ)系統(tǒng)，該存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)容量達(dá)到3.84TB，具有與數(shù)字?jǐn)z像機(jī)相連的Base CameraLink通訊接口，同時(shí)，具有攝像機(jī)視頻數(shù)據(jù)的管理功能，并具有網(wǎng)絡(luò)接口，以FTP 服務(wù)器的方式，提供視頻數(shù)據(jù)文件的下載。

2 存儲(chǔ)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)構(gòu)思

如圖1所示，高速電子存儲(chǔ)系統(tǒng)由Base CameraLink高速接口、控制單元、存儲(chǔ)陣列單元組成。

高速電子存儲(chǔ)系統(tǒng)的Base CameraLink高速接口提供與數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的高速數(shù)據(jù)通道，同時(shí)完成高速數(shù)據(jù)的降速分配；讀?。刂茊卧歉咚匐娮哟鎯?chǔ)系統(tǒng)的管理核心，完成存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的讀?。铣?、存儲(chǔ)陣列控制以及FTP 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能；存儲(chǔ)陣列單元是由10塊存儲(chǔ)板組成，單個(gè)存儲(chǔ)板設(shè)計(jì)容量為384GB，高速電子存儲(chǔ)系統(tǒng)總存儲(chǔ)容量達(dá)到10×384GB ＝3.84TB的大小。

圖1 高速電子存儲(chǔ)系統(tǒng)的組成

3 Base CameraLink高速接口［8］

CameraLink協(xié)議是一個(gè)工業(yè)高速串口數(shù)據(jù)和連接協(xié)議，它是各公司達(dá)成的一種協(xié)議，由美國自動(dòng)化工業(yè)協(xié)會(huì)AIA 制定、修改和發(fā)布，其目的是簡化圖像采集接口，方便高速圖像傳感器和采集系統(tǒng)的鏈接。

CameraLink接口有三種配置方式，即基本（Base）配置、中檔（Medium）配置、全速（Full）配置；主要是解決數(shù)據(jù)傳輸量的問題，這為不同速度的相機(jī)提供了合適的配置和連接方式；其中，基本（Base）配置的有效數(shù)據(jù)帶寬（時(shí)鐘75MHz時(shí)），可達(dá)1.8Gbps，完全可以滿足系統(tǒng)使用數(shù)字?jǐn)z相機(jī)最大1.44Gbps數(shù)據(jù)量的需要，由此，高速電子存儲(chǔ)系統(tǒng)與攝相機(jī)連接的數(shù)據(jù)接口采用Base CameraLink的形式。

CameraLink接口是基于LVDS（Low Voltage Differential Signaling，低電壓差分信號(hào)）標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)高速接口時(shí)，需要進(jìn)行LVDS 電平和LVTTL 電平信號(hào)的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)中，電平信號(hào)的轉(zhuǎn)換采用 NI 公司的DS90CR288A、DS90LV031A 和DS90LV019來實(shí)現(xiàn)；其中，DS90CR288A芯片完成視頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換，該芯片接收4 對(duì)差分信號(hào)和1對(duì)差分時(shí)鐘信號(hào)，轉(zhuǎn)換后輸出28位數(shù)據(jù)和1路時(shí)鐘信號(hào)，直接輸出到FPGA 中；DS90LV031A芯片完成FPGA 輸出到攝相機(jī)的CC1～CC4 共4 組控制信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換；DS90LV019芯片完成攝像機(jī)的異步串行通訊接口的電平轉(zhuǎn)換。

高速電子存儲(chǔ)陣列中Base CameraLink 高速接口的FPGA 芯片完成控制采集時(shí)序、數(shù)據(jù)1∶10減速／分配的功能，把1.44Gbps的高速數(shù)據(jù)按照?qǐng)D像幀順序依次進(jìn)行抽取，平均分為10組后，分別寫入到10片雙口RAM 中，由存儲(chǔ)單元的0～9號(hào)存儲(chǔ)板讀取后進(jìn)行存儲(chǔ)。系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA芯片的選取綜合考慮了速度、I／O 管腳數(shù)量、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量等綜合因素，采用了ALTERA 公司的CycloneⅡ系列芯片EP2C35；該芯片擁有35000個(gè)邏輯單元、672個(gè)引腳、475個(gè)用戶自定義I／O 接口、35個(gè)嵌入式乘法器和4個(gè)鎖相環(huán)，是一款集成度極高和功能強(qiáng)大的FPGA 芯片［2］。高達(dá)1.44Gbps的高速數(shù)據(jù)經(jīng)FPGA 減速／分組后，速率變?yōu)?44Mbps，通過FPGA 寫入到對(duì)應(yīng)的雙口RAM 中；雙口RAM 是實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)間交換數(shù)據(jù)的一種簡便有效的方法，并且可以避免在大數(shù)據(jù)量下可能造成數(shù)據(jù)處理時(shí)間延長、實(shí)時(shí)性差、甚至出現(xiàn)數(shù)據(jù)擁塞的現(xiàn)象；雙口RAM 選用IDT 公司的64K×16b雙口芯片IDT70V28，在這里，選用較大容量的雙口RAM 芯片，可以有效簡化FPGA 和存儲(chǔ)單元DSP芯片之間的寫入／讀取時(shí)序的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。高速電子存儲(chǔ)陣列的Base CameraLink 高速接口的設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

圖2 高速接口設(shè)計(jì)原理圖

4 存儲(chǔ)陣列單元

高速電子存儲(chǔ)系統(tǒng)的存儲(chǔ)陣列單元的設(shè)計(jì)思路是以Nand Flash芯片作為存儲(chǔ)介質(zhì)，通過高性能DSP和大規(guī)模FPGA 完成Nand Flash芯片的讀寫時(shí)序的控制，從而構(gòu)成單個(gè)的存儲(chǔ)板，再由10塊相同的存儲(chǔ)板共同組成存儲(chǔ)陣列單元。單塊存儲(chǔ)板的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 存儲(chǔ)板結(jié)構(gòu)框圖

存儲(chǔ)陣列單元的Nand Flash芯片是其核心，每塊存儲(chǔ)板上共有96片Nand Flash存儲(chǔ)芯片分組互聯(lián)而成構(gòu)成，Nand Flash 芯 片 采 用Samsung 公 司 的K9WBG08UIM 芯片，容量為4GB，數(shù)據(jù)寬度為8位，每頁大小為4KB，可以實(shí)現(xiàn)單塊存儲(chǔ)板384GB的存儲(chǔ)容量［3］。

圖4 K9WBG08UIM 芯片頁寫入時(shí)序

單塊存儲(chǔ)板上的96片Nand Flash芯片每4片分為一組，共分為24 組，同組的4 片芯片并聯(lián)成32 為的數(shù)據(jù)寬度，這樣做一是可以有效提高Nand Flash 芯片寫入的帶寬，解決Nand Flash芯片寫入／讀取速度較慢的問題，二是可以與DSP控制芯片的32 位數(shù)據(jù)寬度相匹配，提高數(shù)據(jù)的讀寫效率。

由圖4可以看出，Nand Flash芯片的tWC最小為25ns，tADL最小為75ns，tWB為100ns，tPROG典型時(shí)間為200μs，芯片寫入按照頁進(jìn)行操作，典型的持續(xù)寫入速率為5MB／s，4片并行寫入的速率為20MB／s（160Mbit／s），滿足144Mbps數(shù)據(jù)源的速率要求。

存儲(chǔ)板上的Nand Flash芯片的訪問控制接口采用了兩片ALTERA 公司的CycloneⅡ系列芯片EP2C35 來實(shí)現(xiàn)，Nand Flash芯片采用4個(gè)一組，共用一套EP2C35的I／O 引腳驅(qū)動(dòng)，以保證足夠的驅(qū)動(dòng)能力，避免因I／O 引腳上負(fù)載過大而造成無法工作；在必要時(shí)，兩片F(xiàn)PGA 芯片還可以采用乒乓結(jié)構(gòu)操作，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入，把存儲(chǔ)板設(shè)計(jì)的寫入帶寬提高一倍，使整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)寫入帶寬達(dá)到3.2Gbps。

存儲(chǔ)板的數(shù)據(jù)收發(fā)通過DSP 來實(shí)現(xiàn)，這里選用的是ADI公司的ADSP-BF533處理器芯片，ADSP-BF533是較為常用的一款嵌入式多媒體處理器，擁有運(yùn)算速度高達(dá)600MHz的DSP內(nèi)核，采用ADI與Intel共同開發(fā)的MSA體系結(jié)構(gòu)兩個(gè)16位乘法器和兩個(gè)40位ALU，專門的視頻處理硬件單元和視頻處理指令，豐富的DMA 通道，內(nèi)嵌大容量高速SDRAM，支持動(dòng)態(tài)電源管理［4］。

存儲(chǔ)板在執(zhí)行存儲(chǔ)操作時(shí)，BF533 將從雙口RAM 中的數(shù)據(jù)讀取出來，并將數(shù)據(jù)緩存到SDRAM 中，再通過FPGA 按照Nand Flash芯片的寫入時(shí)序，完成存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的寫入存儲(chǔ)。在執(zhí)行讀取操作時(shí)，BF533則通過FPGA 向Nand Flash芯片發(fā)送讀操作指令，以讀取指定區(qū)域的數(shù)據(jù)并緩存到SDRAM 存儲(chǔ)器中，然后通過輸入／輸出總線（PPI）發(fā)送到存儲(chǔ)／讀取控制單元。

5 讀?。刂茊卧?/h2>

高速電子存儲(chǔ)系統(tǒng)的存儲(chǔ)陣列的讀取／控制單元完成陣列內(nèi)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的讀?。铣?、存儲(chǔ)陣列內(nèi)數(shù)據(jù)的文件管理功能以及FTP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能。設(shè)計(jì)時(shí)考慮到芯片選用的系列性，讀?。刂茊卧捎肁DSP-BF537處理器為單元的核心，基于Blackfin處理器的BF537處理器具有接口豐富（集成有100MB網(wǎng)絡(luò)接口），性能優(yōu)良等特點(diǎn)，并具有強(qiáng)大的多媒體數(shù)據(jù)處理能力［5］。ADI公司DSP 處理器的集成開發(fā)環(huán)境Visual DSP＋＋中嵌入了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核VDK，適合于多任務(wù)多線程的嵌入式操作；此外，還提供了一個(gè)用于Blackfin系列嵌入式處理器的LwIP協(xié)議棧端口，利用它可以快速建立一個(gè)嵌入式網(wǎng)絡(luò)連接應(yīng)用。

圖5給出了BF537通過網(wǎng)絡(luò)芯片LAN8187實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信和利用處理器自身的PPI接口和串行通信接口實(shí)現(xiàn)與存儲(chǔ)板之間的通信和管理。

圖5 BF537與存儲(chǔ)板的通信接口圖

ADI公司的Blackfin系列DSP處理之間的通信，最簡單的方式是采用DSP芯片自帶的PPI接口完成；PPI接口的全稱為 并行外圍接 口（Parallel peripheral Inter-face），是數(shù)據(jù)高速傳輸專用的半雙工雙向通道，該接口包括16位的數(shù)據(jù)傳輸線、3個(gè)同步信號(hào)和一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)；速度可以達(dá)到66MB／s。

通過PPI接口，高速電子存儲(chǔ)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了讀?。刂茊卧獙?duì)存儲(chǔ)板存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的讀取，這里設(shè)計(jì)中需要面對(duì)的難點(diǎn)是需要實(shí)現(xiàn)讀?。刂茊卧?片BF537處理器與存儲(chǔ)板的10片BF533的PPI通信，設(shè)計(jì)中采用分時(shí)復(fù)用的方法，訪問控制接口由1 片ALTERA 公司的CycloneⅡ系列芯片EP2C35來實(shí)現(xiàn)，為了保證分時(shí)復(fù)用時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，PPI通訊接口設(shè)置成單工模式，其時(shí)鐘信號(hào)和同步信號(hào)由BF537來統(tǒng)一設(shè)定。讀取控制信息通過SPORTs串口通信口來實(shí)現(xiàn)，同樣是通過EP2C35 完成BF537 的SPORTs串口分時(shí)復(fù)用控制。BF537芯片內(nèi)部集成了一個(gè)以太網(wǎng)的MAC 接口，通過外部擴(kuò)展以太網(wǎng)物理層接口LAN8187后，可以實(shí)現(xiàn)高速電子存儲(chǔ)系統(tǒng)的100／10Mb網(wǎng)絡(luò)接口。

6 數(shù)據(jù)管理

高速電子存儲(chǔ)系統(tǒng)的存儲(chǔ)深度達(dá)3.84TB，而前端攝像機(jī)的圖像數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)形式存儲(chǔ)的，因此，構(gòu)建一個(gè)適合管理Nand Flash存儲(chǔ)器的文件系統(tǒng)。由于Nand Flash存儲(chǔ)器的擦除次數(shù)是有限的（一般是1百萬次），如采用普通的FAT 文件系統(tǒng)，則會(huì)出現(xiàn)存儲(chǔ)FAT 系統(tǒng)FAT 表和FRT表的區(qū)域過度擦寫而引起失效導(dǎo)致文件系統(tǒng)崩潰的情況；由此，需要通過改進(jìn)FAT 表和FRT 表的存儲(chǔ)方式，延長存儲(chǔ)器的使用壽命，提高系統(tǒng)存儲(chǔ)的穩(wěn)定性。

改進(jìn)設(shè)計(jì)的FAT 文件系統(tǒng)把FAT 表和FRT 表作為可移動(dòng)的數(shù)據(jù)放在某一個(gè)區(qū)塊內(nèi)，在Flash的系統(tǒng)信息區(qū)中記錄著FAT 表的首地址，并用指針指向它。每次FAT表存儲(chǔ)的位置發(fā)生變化時(shí)，只需將新位置的首地址添加到系統(tǒng)信息區(qū)的空白區(qū)域中，再調(diào)整指針的指向。這樣避免了FAT 表和FRT 表始終在一個(gè)區(qū)塊中反復(fù)擦寫，導(dǎo)致該區(qū)塊被過度使用，縮短存儲(chǔ)器的壽命。

高速電子存儲(chǔ)系統(tǒng)改進(jìn)的FAT 文件系統(tǒng)包括文件創(chuàng)建、打開等操作函數(shù)，用于滿足基本的文件管理操作，可以完成如刪除、拷貝、剪切、下載、陣列格式化等管理功能，這些操作功能可以通過網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)。

7 FTP服務(wù)

高速電子存儲(chǔ)系統(tǒng)可以作為一個(gè)FTP的服務(wù)器，把所存儲(chǔ)的攝像機(jī)視頻數(shù)據(jù)以文件的形式提供給需要的用戶下載使用。FTP（File Transfer Protocol）作為internet上最早提供的服務(wù)之一，至今仍然被廣泛使用，F(xiàn)TP是實(shí)現(xiàn)文件傳輸服務(wù)的最主要的規(guī)范。

FTP協(xié)議則采用兩個(gè)TCP連接來實(shí)現(xiàn)文件的傳輸，這兩個(gè)TCP連接一個(gè)用來完成文件傳輸?shù)目刂泼畹膫鬏?，另外一個(gè)用來實(shí)現(xiàn)文件的傳輸；然而，有些嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境并不支持FTP協(xié)議（如本文所使用的ADSP的集成開發(fā)環(huán)境Visual DSP＋＋），在此情況下，只能按照FTP協(xié)議的約定，利用已有的LwIP 堆棧中的一些基礎(chǔ)函數(shù)來構(gòu)建一個(gè)適用于BF537嵌入式處理器的FTP服務(wù)器。

設(shè)計(jì)FTP服務(wù)器時(shí)，可以根據(jù)不同的需求，選擇不同的FTP服務(wù)器模式。因?yàn)镕TP服務(wù)器模式?jīng)Q定著設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，而不同的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)又很大程度地影響著FTP服務(wù)器的性能。FTP服務(wù)器的模式主要有循環(huán)服務(wù)器和并發(fā)服務(wù)器。

循環(huán)服務(wù)器只適應(yīng)于最簡單的應(yīng)用協(xié)議，采用客戶輪流等待的工作方式；高速電子存儲(chǔ)系統(tǒng)考慮到嵌入式處理器硬件芯片本身的特點(diǎn)，即在文件下載時(shí)，BF537與存儲(chǔ)板的通信只能通過同一套PPI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此，設(shè)計(jì)的FTP服務(wù)器的方式是一次只接受一個(gè)用戶的下載請(qǐng)求；采用循環(huán)服務(wù)器模式。

8 結(jié)語

CameraLink接口的高速電子存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，成功解決了普通存儲(chǔ)陣列使用時(shí)攝像機(jī)接口的設(shè)計(jì)問題，具有高速、體積小、重量輕、抗沖擊、振動(dòng)性能好的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)較為惡劣環(huán)境下的應(yīng)用，如果能提高數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡(luò)通訊能力，將具有良好的使用前景。

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