存储接口【一种PCIe 接口的高速电子存储板设计】

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【关键词】PCIe 接口 Nand Flash 存储芯片

CameraLink 接口 FPGA

随着科学技术的发展，摄像传感技术备

广泛应用于军事、工业和民用领域；并且对摄

相机的分辨率和帧频的要求越来越高，使得图

像信息更加的丰富，但伴随而来的是数据率的

大幅度提高。

为了满足大容量视频数据传输的需要，

近些年来，区别与传统的PAL 制式或NTSC

制式的模拟视频传输接口的数字视频摄像机得

到了迅速的发展，并开发出了LVDS、Channel

Link、Camera Link、Gigabit Ethernet 等接口；

上述各种接口较好的满足了数字摄像机视频数

据传输的要求；但是，上述数字视频摄像机大

容量视频数据的存储和怎样输入到PC 平台的

处理系统，同样也变得越来越重要。

如何能把产生较大视频数据量的数字视

频摄像机的视频信息完成采集、存储和送到

PC 平台进行处理，是目前图像处理工程项目

中常常要解决的一个问题；例如，在某项目中，

使用的数字相机分辨率为1024×1024 像素，帧

频120 帧/ 秒，8/10/12 位Base CameraLink 输出，

视频数据需存储并由PC 平台进行处理；由此，

可以计算出如果设置摄相机输出设置为12 位

的话，其数据将达到1.44Gbps；根据上述情况，

就迫切需要设计一种具有较大存储容量，并具

有PC 平台常用接口的存储板满足该功能设计

需求。

1 高速电子存储板的设计构思

如图1 所示，高速电子存储板包含如下4

个部分：

1.1 PCIe接口

与PC 平台进行数据交换的接口，符合

PCI 工业计算机总线标准，是目前PC 机平台

常用和主流的外设接口。

文/范海震

为了满足高速数字图像摄像

机的视频数据实时存储的需求，

本文给出了一种PCIe 接口的高速

电子存储板的设计方法；该存储

板采用Nand Flash 作为存储介

质，单板最大存储容量为1TB，

具有与数字摄像机相连的Base

CameraLink 数据接口，最大写入

速度可以达到2.25Gbps。

摘要

1.2 Base CameralLink接口

与数字视频摄像机的接口，符合美国

自动化工业协会AIA 制定、修改和发布

CameraLink 协议标准。

1.3 NAND Flash存储阵列

64 片Nand Flash 存储芯片组成，最大存

储空间达到1TB，以满足大容量数据高速存储

的要求。

1.4 FPGA模块

存储板的控制核心，完成接收前端数字

CCD 相机的数据接收和缓冲；Flash 芯片的读

写、擦除、逻辑控制以及PCIe 总线控制。

高速电子存储板可以完成具有Base

CameraLink 接口的CCD 图像传感器视频信息

的输入和采集；并且能够根据需要，完成采集

后视频信息的存储和实时向PC 平台通过PCIe

接口传输；存储的视频信息可以被PC 平台进

行管理和使用。

2 逻辑功能的实现

考虑到板卡设计需要尽可能的多增加存

储容量，因此，以1 片FPGA 作为存储板的控

制核心，其选取综合考虑了速度、I/O 管脚数量、

片内数据存储容量等综合因素，选用了Xilinx

Virtex5 系列XC5VLX155T FPGA 芯片进行设

计；Virtex5 系列作为第二代高级芯片组合模

块(ASMBLTM) 列式架构，除最先进的高性能

逻辑结构外，其还内置大量IP 硬核系统级模

块、可支持多达330，000 个逻辑单元及多达

17 个外部模拟输入通道、具有多速率FIFO 支

持逻辑、也可以通过JTAG TAP 或内部结构访

问系统监控器。

FPGA 逻辑功能模块主要包括PCIe 接口

模块、CameralLink 接口模块和NAND Flash

阵列控制模块3 个部分，后续将继续介绍

FPGA 芯片的各个逻辑功能模块的实现。

3 CameralLink接口模块

CameraLink 协议是一个工业高速串口数

据和连接协议，它是各公司达成的一种协议，

由美国自动化工业协会AIA制定、修改和发布，

其目的是简化图像采集接口, 方便高速图像传

感器和采集系统的连接。

图1：高速电子存储板的组成

图2：Base CameraLink 接口设计图

Electronic Technology • 电子技术

Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程• 151

CameraLink 接口有三种配置方式，即基

本(Base) 配置、中档(Medium) 配置、全速(Full)

配置；主要是解决数据传输量的问题，这为不

同速度的相机提供了合适的配置和连接方式；

其中，基本(Base) 配置的有效数据带宽( 时钟

75MHz 时)，可达1.8Gbps，完全可以满足系

统使用数字摄相机最大1.44Gbps 数据量的需

要，由此，高速电子存储系统与摄相机连接的

数据接口采用Base CameraLink 的形式。

CameraLink 接口是基于LVDS(Low

Voltage Differential Signaling, 低电压差分信号)

标准，LVDS 通过约350 mV 的低幅度共模差

分信号来传输信息，其传输速率可以达到自

100 Mbit/s 甚至超过1 Gbit/s，且其信号连线较

少、带宽较高、抗干扰能力较强。

由于选择的Xilinx Virtex5 系列

XC5VLX155T FPGA 芯片具有强大的功能，

并且支持高速LVDS 接口，因此，在本设计

中，就可以不再采用相关芯片专门进行LVDS

电平和LVTTL 电平信号的转换，而直接采用

FPGA 芯片完成该接口模块的设计，减少了存

储板的元器件数量，减少了PCB 空间占用。

图2 所示为Base CameraLink 接口设计图，

FPGA 通过接口控制完成图像传感器工作状态

和工作参数控制，图像传感器将视频数据发

送给FPGA，FPGA 通过LVDS 接收器完成12

路数据的校验并将串行LVDS 数据转换为并

行数据，并完成图像数据顺序整理，最后根据

CameraLink接口要求完成视频数据格式调整。

4 NAND Flash存储阵列单元

高速电子存储板的存储介质选择了Nand

Flash 存储芯片，对比Nor Flash 存储芯片，

Nand Flash 存储芯片具有容量更大、写入速度

更快、成本更低等优点。

高速电子存储板Nand Flash 芯片采用

Samsung 公司的K9 系列Nand Flash 存储芯

片，该芯片在同样的封装形式和控制接口下，

主流的存储空间有16GBit、32GBit、64GBit

和128GBit 等规格，在6U 机箱规格的存储

板上，可以轻松配置64 片Nand Flash 存储芯

片进行视频信息的存储，最大容量可以达到

1024GB，即1T 的存储容量。

实际设计中，根据数据存储的需要，选

用K9HCG08UIM Nand Flash 存储芯片，该存

储芯片单片容量达到