單 潔

（西安郵電學(xué)院通信工程系，陜西 西安 710061）

0 引言

隨著數(shù)字技術(shù)的迅速發(fā)展，高分辨率 CCD航拍相機已經(jīng)初步應(yīng)用于航天、航空、軍事等領(lǐng)域。對于高分辨率 CCD相機技術(shù)而言，圖像的保存與恢復(fù)是難點之一。目前常用的存儲設(shè)備有硬盤、光盤、各種動靜態(tài)及固態(tài)存儲器件，其中閃存在便攜設(shè)備中具有容量大、價格低廉、控制方法靈活、與微處理器 接口方便等特點，且體積小、功耗低、抗震抗干擾性強等優(yōu)點，更適合作為數(shù)碼相機的存儲器。因此，研究閃存在高分辨率CCD相機中的應(yīng)用技術(shù)有重要的意義。

目前有關(guān)閃速存儲器應(yīng)用的文獻(xiàn)比較多，文獻(xiàn)[1]介紹的圖像采集記錄系統(tǒng)是以Samsung公司的64 M閃速存儲器作為圖像存儲介質(zhì)，但是這些應(yīng)用不能滿足大容量存儲要求。

1 用K9MDG08U5M 構(gòu)成CCD航拍相機的存儲系統(tǒng)

本相機系統(tǒng)采用 DALSA公司生產(chǎn)的一款超大分辨率全幀轉(zhuǎn)移型面陣CCD FTF4027M，其有效像素1100萬，象元尺寸為 9 um×9 um，工作頻率 27 MHz，可四象限同時讀出，讀出速度快，最大可達(dá)每秒8幅。設(shè)計要求最高拍攝頻率2幀/秒，存儲容量不小于120幀 。這就對存儲器的容量和速度提出了很高要求：① 航拍相機要求重量輕、功耗低、工作性能穩(wěn)定等；② 原始圖像1 M×12 bit（12位AD轉(zhuǎn)換），盡管圖像經(jīng)過壓縮處理，但由于原始圖像分辨率過高，120幀圖像仍然需要很大的存儲空間；③ CCD讀出速度快，就單端輸出來說每秒就有2幀圖像，原始數(shù)據(jù)就有22 M ×12 bit，按壓縮率為 1/3.5壓縮后存儲，要求存儲器的速度達(dá)到9.428 Mbyte/s，這對存儲器的讀寫速度要求很高[2]。因此，根據(jù)以上的難點，筆者在眾多的存儲設(shè)備中選用了 NAND FLASH存儲器K9MDG08U5M。系統(tǒng)框圖見下頁圖1。

當(dāng)快門開啟時，鏡頭將光線會聚到感光器件 CCD ，CCD是半導(dǎo)體器件，主要功能是把光信號轉(zhuǎn)換為電信號。這樣得到了對應(yīng)于拍攝景物的電信息圖像。由于CCD的輸出是模擬信號，因此需要使用一個ADC 器件來進(jìn)行數(shù)字化處理。隨后這些數(shù)據(jù)信息經(jīng)過DSP讀出并進(jìn)行壓縮、轉(zhuǎn)換等處理，再轉(zhuǎn)換成特定的圖像格式。最后，以圖像文件的形式存儲在FLASH存儲器中。事后可通過 LCD查看拍攝的照片和通過 USB2.0接口將照片傳輸?shù)接嬎銠C上。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)中的主要器件

2.1 信號處理器

在本系統(tǒng)中圖像壓縮采用 TMS320C6205，這是一款高性能的定點數(shù)字信號處理器[3]。工作頻率為200 MHz時，每個指令周期為5 ns，運算速度可達(dá)1600 MIPS；具有VLIW體系結(jié)構(gòu)，每周期最多可有8個 32 bit的指令并行執(zhí)行；8個獨立的功能單元，有兩個 16 bit乘法器和6個算術(shù)邏輯單元；采用加載存儲體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)在多處理單元之間的傳輸依靠32個32 bit的通用寄存器。C6205的外部存儲器尋址空間為52 MByte,片內(nèi)有1 Mbit的SRAM。片內(nèi)RAM被分為兩塊：① 內(nèi)部程序/cache存儲器；② 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器。32 bit EMIF可與不同存儲器接口，可方便地配置不同速度、容量、復(fù)雜程度的存儲器。此外，C6205還有四通道Bootloading DMA處理器、兩個多通道緩沖串口（McBSP）和32 bit/33 MHz PCI接口，并且片內(nèi)PLL時鐘發(fā)生器可對輸入時鐘進(jìn)行不同的倍頻處理。這種芯片很合適處理圖像壓縮等運算密集的工作。

2.2 閃存K9MDG08U5M

K9MDG08U5M是三星公司開發(fā)的目前單片容量最大閃存芯片，它的單片容量高達(dá) 16 GB。K9MDG08U5M內(nèi)部是由 16片K9W8G08U1M構(gòu)成，所以僅需研究K9W8G08U1M的結(jié)構(gòu)就可以了。

2.2.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

K9W8G08U1M的單片容量達(dá)到 1 GB，同時還提供有256 M額外容量。該閃存芯片是通過與非單元結(jié)構(gòu)來增大容量的。芯片容量的提高并沒有削弱它的功能，它可以在300 μs內(nèi)完成一頁 2112個字節(jié)的編程操作,還可以在 2 ms內(nèi)完成128 K字節(jié)的擦除操作,同時數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)能以50 ns／byte的速度讀出，已經(jīng)與一般的SRAM相當(dāng)。8位I/O端口采用地址、數(shù)據(jù)和命令復(fù)用的方法。這樣既可減少引腳數(shù)，還可使接口電路簡單。片內(nèi)的寫控制器能自動執(zhí)行寫操作和擦除功能，包括必要的脈沖產(chǎn)生，內(nèi)部校驗等，完全不用外部微控制器考慮，簡化了器件的編程控制難度。工作電壓為 1.8 V或3.3 V，符合當(dāng)前低功耗的國際潮流。

該芯片具有以下特點：① 以頁為單位進(jìn)行讀和編程操作，以塊為單位進(jìn)行擦除操作，具有快編程和快擦除的功能；② 數(shù)據(jù)、地址采用同一總線，實現(xiàn)串行讀取。隨機讀取速度慢且不能按字節(jié)隨機編程；③ 芯片尺寸小，引腳少，是位成本最低的固態(tài)存儲器；④ 芯片包含失效塊，失效塊不會影響有效塊的性能。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 原理框圖

在整個圖像存儲系統(tǒng)中，K9MDG08U5M是設(shè)計核心，它由地址譯碼器、存儲陣列、命令寄存器、控制邏輯和高電壓產(chǎn)生器和I/O緩存、全局緩存及輸出驅(qū)動組成。

2.2.2 與 TMS320C6205硬件接口設(shè)計

K9MDG08U5M與 TMS320C6205的硬件接口電路見圖 3。K9MDG08U5M只有8根數(shù)據(jù)地址復(fù)用總線，而TMS320C6205的EMIF接口數(shù)據(jù)和地址總線分別有32位和20位，所以必須經(jīng)過一種合理的總線轉(zhuǎn)換將其連接，本系統(tǒng)采用 2片K9MDG08U5M并行存儲。具體電路連接方法是讀寫使能信號可直接相連；控制線CLE和ALE分別與EMIF的數(shù)據(jù)線ED9和ED11直接連接；EMIF的片選信號/CE1與字節(jié)使能信號/BE0相與后與 FLASH 的片選信號相連；由于EMIF的ARDY 信號為低時，DSP自動插入等待時鐘周期，因此FLASH 的RY/ #BY信號經(jīng)過上拉電阻與ARDY信號相連，這種設(shè)計使FLASH的寫操作可不運行數(shù)據(jù)測試算法，簡化了程序設(shè)計。

圖3 K9MDG08U5M與TMS320C6201接口電路

圖中的MAX708是一個電源電壓監(jiān)測芯片。當(dāng)電壓正常時，管腳/PFI 輸入電壓高于1.25 V，系統(tǒng)正常工作；當(dāng)工作電壓降低時，管腳/PFI的輸入電壓低于1.25 V（門限電壓）時，管腳 /PFO輸出跳為高電平，經(jīng)過反向后輸出，使得存儲器進(jìn)入寫保護(hù)狀態(tài)。當(dāng)電源電壓超過門限電壓300 ms后，才解除寫保護(hù)狀態(tài)，可以正常寫入數(shù)據(jù)。這樣可以保證寫入存儲器的數(shù)據(jù)都是有效的。MAX708的工作電流只有50 μA。

3 軟件設(shè)計

Flash的基本操作有讀、按頁讀、頁編程、緩存編程、存儲單元復(fù)錄和塊擦除等。對Flash的操作要靠寫入一系列特定的地址和數(shù)據(jù)序列完成。在每次對Flash寫入之前要對其原來內(nèi)容進(jìn)行擦除。對Flash寫操作是按頁進(jìn)行的，每次頁編程之前要有5個周期的地址輸入，這樣速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于系統(tǒng)要求，解決方法只有連續(xù)寫操作，即只在每幅圖像之前寫入地址，然后連續(xù)寫入一幅圖像的數(shù)據(jù)，這樣速度大大提高。同樣，采用連續(xù)讀操作,順序讀出一幅或多幅圖像會提高速度。這樣對 K9MDG08U5M的操作就簡化為連續(xù)讀寫和擦除操作。

海量數(shù)據(jù)存儲是本系統(tǒng)的瓶頸，設(shè)計要求實時拍攝，每秒2幅照片，數(shù)據(jù)量 22 M×12 bit，K9MDG08U5M寫操作最快速度為7 Mbyte/s，如果壓縮率為1/3，則數(shù)據(jù)量11 Mbyte/s大于K9MDG08U5M寫操作速度。本系統(tǒng)采用JPEG2000方法，壓縮率可達(dá)到 1/3.5，數(shù)據(jù)量為 9.428 Mbyte/s，2片K9MDG08U5M并行基本滿足要求。如果特殊情況下數(shù)據(jù)量超過Flash峰值，解決方法有：第一尋找更好的壓縮方法提高壓縮率；第二采用四片并行存儲32位數(shù)據(jù)。

3.1 塊擦除

K9MDG08U5M的擦除操作是以塊為基礎(chǔ)進(jìn)行的。塊地址裝載將從一個塊擦除指令開始，并在兩個循環(huán)內(nèi)完成。實際上，當(dāng)?shù)刂肪€A12～A17懸空時，只有地址線A18～A30可用。裝入擦除確認(rèn)指令和塊地址即可開始擦除。該操作必須按此順序進(jìn)行，以免存儲器中的內(nèi)容受到外部噪聲的影響而出現(xiàn)擦除錯誤。

3.2 寫操作

在寫入連續(xù)數(shù)據(jù)輸入指令（80h）后裝載連續(xù)數(shù)據(jù)，當(dāng)寫入頁編程確認(rèn)指令（10h）即可開始編程操作。假定分辨率為11 M原始圖像，經(jīng)過壓縮處理后成為4 M，在相機工作前先將FLASH清除，然后第一幅圖像保存在連續(xù)的2 k頁，中間無需再寫入地址。以此類推，整片 K9MDG08U5M可以保存2048 幅這樣的照片。寫數(shù)據(jù)操作流程如圖4。

3.3 讀操作

K9MDG08U5M的默認(rèn)狀態(tài)為讀狀態(tài)。讀操作是以通過5個地址周期將00h地址寫到指令寄存器為開始指令，一旦該指令被鎖存，就不能在下頁中寫入讀操作了。當(dāng)?shù)刂纷兓瘯r，隨機讀操作可以將選定頁中的2 k字節(jié)數(shù)據(jù)在25 μs內(nèi)存入數(shù)據(jù)寄存器中。系統(tǒng)可以通過分析 R/#B 腳的輸出來判斷數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移是否完成。而存入數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)可以很快地被讀出，如一頁的數(shù)據(jù)通過連續(xù)的RE脈沖可以在50 ns內(nèi)讀出。

3.4 壞塊管理

閃存同其它固體存儲器一樣均會產(chǎn)生壞塊。壞塊是包含一位或多位無效位的塊。在K9MDG08U5M中壞塊不影響正常部分的工作，這是因為其各塊之間是隔離的。壞塊可以通過地址的布置系統(tǒng)找到，而三星公司確定地址為 00h的第一塊一定是正常的。壞塊在多數(shù)情況下也是可擦寫的，并且一旦被擦掉就不能恢復(fù)。因此，系統(tǒng)必須能根據(jù)壞塊信息來識別壞塊，并通過流程圖建立壞塊信息表，以防止壞塊信息被擦除。

圖4 寫操作流程

在閃存的使用中，可能會產(chǎn)生新的壞塊，從而使正常工作出現(xiàn)一些錯誤。在擦除和編程操作后，如果出現(xiàn)讀失敗，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行塊置換。塊置換是由容量為一頁的緩沖器來執(zhí)行的，可以通過發(fā)現(xiàn)一個可擦的空塊和重新對當(dāng)前數(shù)據(jù)對象進(jìn)行編程來復(fù)制塊中的剩余部分。為了提高存儲空間的使用效率，當(dāng)由單個字節(jié)錯誤而引起的讀或確認(rèn)錯誤時，應(yīng)由 ECC收回而不要進(jìn)行任何塊置換。

3.5 注意事項

在寫操作時，三條關(guān)鍵控制檢測線/CE、/RE、/WE必須處于正確狀態(tài)，當(dāng)/CE 或 /WE 不是低電平或/RE不是高電平時，編程操作將被禁止。由于該Flash的操作時序是ns級，所以在調(diào)試時要注意指令的安排順序和有選擇地加入空操作指令，以滿足其精確的時序要求；擦除操作耗時較多，應(yīng)減少擦除操作；由于FLSAH 在使用過程中會出現(xiàn)壞塊，因此盡量避免頻繁地對同一地址操作，以免造成局部單元提前損壞。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)最大的特點就是數(shù)據(jù)量大實時性高，DSP在計算過程中必須進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換、存儲，無論采用查詢方式還是中斷方式都會影響CPU資源，在本系統(tǒng)利用C6205的DMA控制器對通過EMIF的外部存儲器進(jìn)行訪問，可獨立于CPU操作，提高CPU利用率。我們在實際工作中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)情形下，數(shù)據(jù)傳輸所花費時間往往超過數(shù)據(jù)處理的時間，成為系統(tǒng)中的瓶頸。因此，合理使用DMA提高數(shù)據(jù)傳輸效率，有實際應(yīng)用價值[4]。

整個系統(tǒng)的試驗過程中，本部分工作正常，有效地將高分辨率CCD相機的數(shù)據(jù)實時存入到Flash中，經(jīng)過軟件對存儲數(shù)據(jù)的恢復(fù)分析，數(shù)據(jù)存儲正確，無漏存數(shù)據(jù)或錯誤數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)存儲方式對各種大容量數(shù)據(jù)采集以及存儲系統(tǒng)的設(shè)計具有很好的參考意義。

[1] 劉智，薛旭東. 閃速存儲器K9F1208UOM在圖像采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].單片機及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2004(02):58-61

[2] 達(dá)選福，張伯濟，邊川平. 高速CCD圖像數(shù)據(jù)存儲技術(shù)[J]. 光子學(xué)2003,32(11):1393-1395.

[3] 李方慧，王飛，何佩琨.TMS320C6000 系列DSPs原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[4] 李朝暉. TMS320C6201 DMA在視頻圖像編碼中的應(yīng)用[J].華北航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2003,13（09）：12-15.