應用筆記 | STM32 DCMI 的帶寬與性能介紹
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1 引言2 STM32 DCMI3 小結
1. 引言
隨著市場對更高圖像質量的需求不斷增加，成像技術持續發展，各種新興技術（例如3D、計算、運動和紅外線）的不斷涌現。如今的成像應用對高質量、易用性、能耗效率、高集成度、快速上市和成本效益提出了全面要求。為了滿足這些要求，STM32 MCU 內置的數字照相機接口（DCMI），能夠高效連接并行照相機模塊。 對于使用STM32 DCMI 開發相機應用的客戶，經常有以下問題：STM32 DCMI 最大支持的像素時鐘是多少？STM32F4/F7/H7/U5 能支持1280×720 的相機分辨率嗎？最大的幀率是多少？如何判斷所設計的應用產生的帶寬是否能充足？相機輸出是選擇8 位、10位、12 位、還是14 位？ 針對這些問題，本文檔從DCMI 使用的幾個方面，介紹了STM32 DCMI 在連續抓取模式下帶寬的估算，以及提升性能需要注意的事項。客戶在設計相機應用時可以參考。2.STM32 DCMI
STM32 數字照相機接口（DCMI）采用同步并行數據總線。它可以輕松集成并適應相機的特殊應用要求。DCMI 可連接8、10、12 和14 位CMOS 照相機模塊，并支持多種數據格式：8/10/12/14 位逐行視頻、YCbCr42 逐行視頻、RGB565 逐行視頻、JPEG 等。像素最大支持16 位色深。 2.1. STM32 智能架構中的DCMI DCMI 應用需要用幀緩沖區來存儲采集的圖像。必須根據圖像大小和傳輸速度使用合適的目標存儲區。在某些應用中，必須連接外部存儲器（SDRAM），以便提供較大的數據存儲空間。對于支持DMA2D（Chrom-ART Accelerator控制器）的STM32 系列，也可以用它做色彩空間轉換（例如RGB565 至ARGB8888），或使用DMA 從一個存儲區到另一個存儲區的數據轉移。 下面圖1 是STM32F2x7 系列智能架構中DCMI 的例子。這里DCMI 通過AHB2 外設總線連接到AHB 總線矩陣。DMA2 主控訪問DCMI，將DCMI 接收到的圖像數據傳輸到內部RAM 或外部SDRAM 中，具體目標位置取決于應用。
圖1. STM32F2x7系列智能架構中的DCMI從設備AHB2外設2.2. DCMI 最大像素時鐘頻率STM32 DCMI支持的像素時鐘頻率，與AHB時鐘頻率比值必須小于0.4。具體的像素時鐘頻率最大值要查詢所用STM32的數據手冊。下面表1中列出了部分STM32系列DCMI最大像素時鐘頻率及相關可用資源的信息。如需更詳細信息，請參考相應的參考手冊/數據手冊。
表1. DCMI及相關可用資源2.3. DCMI 支持的圖像分辨率STM32 DCMI僅對輸入像素時鐘頻率有硬件限制（DCMI_PCLK / fHCLK 最大0.4），對圖像的分辨率沒有限制。DCMI連續抓取模式下，圖像分辨率會影響幀率（幀率的大小會影響視頻的流暢度）。在固定的像素時鐘頻率下，高分辨率圖像的帶寬需求較高，對應的幀率則會下降。或者說，在相同的圖像分辨率下，提高幀率需要相應地提高像素時鐘頻率。例如下表2（摘自三星S5K5CAGA CMOS Image Sensor的數據手冊）所示，大家可以從中了解S5K5CAGA的像素頻率、圖像分辨率、幀率的關系(非RGB888，16位色深)。另外，圖像分辨率主要通過設置相機的輸出格式進行修改。
表2. S5K5CAGA YUV/RGB565像素時鐘頻率與幀率對于中高分辨率的圖像，一般采用雙緩沖區或多緩沖區模式。這個主要原因是因為DCMI使用的DMA計數寄存器SxNDTR使用了16位用于計數。最大0xFFFF，即 65535 ，單位為32位Word，當圖像分辨率超過65535 Words（262140字節）時，則要使用雙緩沖區或多緩沖區模式。雙緩沖區地址由DMA_SxM0AR/DMA_SxM1AR設定。多緩沖區時，則需要動態交替DMA_SxM0AR/DMA_SxM1AR，使之指向圖像緩沖區的不同存儲位置，相當于分塊存儲。2.4. DCMI 帶寬與性能使用DCMI的相機應用，使用連續抓取模式，功能往往是由相機連續輸出所攝圖像數據流到STM32，STM32 DCMI捕獲視頻流后，再輸出到屏幕顯示（如監控）或做圖像數據處理、傳輸等。如果相機輸出的是高像素高色深高幀率的視頻流，DCMI在接收過程中，如不能及時處理，DCMI FIFO即會產生溢出錯誤(Overrun)，進而導致圖像數據丟失，幀率下降等問題。2.4.1. DCMI 帶寬與性能DCMI帶寬計算公式為：帶寬 = 分辨率 * 色深 * 幀率。以三星S5K5CAGA為例，如表2中第1行數據（這里相機采用RGB565，16位/像素，8位輸出格式），則QXGA輸出的帶寬需求 =（2048 * 1536）* 2 * 6 ≈ 38MBps。像素時鐘為40MHz，8位輸出，每2個CLK傳輸1個像素數據，對應的最大輸出能力為40 MBps。則QXGA在40MHz的像素時鐘頻率下是可以以6幀/秒的幀率輸入到DCMI的。DCMI捕獲圖像數據流，再由DMA傳輸到圖像緩沖區，該例中，圖像緩沖區（幀緩沖區）的大小為：2048 * 1546 * 2 ≈ 6.3 MByte。高像素高色深的圖像，對應的圖像緩沖區較大。當MCU內置的SRAM不能滿足DCMI圖像緩沖區需求時，則需要用外部SDRAM來存儲。例如STM32F469 MCU（見表1，第6行數據），其FSMC支持的最大頻率為90MHz，寬度32位，則SDRAM的帶寬 = 90 * 4 = 360 MBps，能夠滿足DCMI帶寬的需求。一般，DCMI圖像緩沖區中的數據是需要再次傳輸或由CPU進行計算處理的，理論上DCMI輸入的帶寬需求最大不應超過SDRAM的帶寬的50%。這里需要注意SDRAM可能存在多個主控（如CPU、DMA、LTDC等）的訪問，如遇到SDRAM性能瓶頸問題，可考慮下列方面進行優化：（1）將各主控設備訪問的存儲器盡量分開，以減少競爭訪問；（2）將CPU訪問的SDRAM Bank 與DCMI圖像緩沖區的Bank分開；（3）將DCMI圖像緩沖區區域設為不可緩沖，CPU 訪問的區域則可以設為可緩沖。對于性能，另外一個重要因素是總線競爭問題。DCMI DMA申請的AHB總線訪問（即使在使用FIFO的情況下）并非長Burst的訪問。如果AHB總線上存在其它長Burst訪問（最大1KByte），會造成DMA延遲訪問DCMI，令其不能及時將DCMI FIFO中的數據傳輸出去。可以認定：DCMI需要傳輸數據時的總線繁忙是造成 其FIFO 溢出錯誤的根源。解決辦法除了直接為設備分配不同SDRAM之外（將長Burst訪問放在其他SDRAM），還可以考慮在內部SRAM增設DCMI LineBuffer，化零為整，巧妙避開AHB 長Burst 訪問造成的DCMI延遲問題。數據流如下：（1）DCMI（經DMA）=> 內部SRAM（LineBuffer） ;（2）內部SRAM（LineBuffer）=> 外部SDRAM（圖像Buffer）。由LineBuffer 到SDRAM的數據中轉傳輸請求，可使用DCMI IT_LINE 中斷(行結束)觸發。這里MCU如果是STM32F7/H7系列，還可使用MDMA 充分發揮AXI總線的優勢，但要注意LineBuffer 最好是8字節的倍數（64位總線）。2.4.2. DCMI 圖像大小調整功能當考慮了上面的措施，仍無法滿足應用對高分辨率需求時，用戶可以通過設置相機，修改相機輸出分辨率，配合DCMI調整圖像大小功能，找到合適的折中方案。DCMI提供的相關功能如下：（1）窗口裁剪：使用寄存器DCMI_CWSTRT指定起始坐標；使用寄存器DCMI_CWSIZE指定窗口大小。（2）圖像數據調整（詳見寄存器DCMI_CS中LSM/BSM等位域）：- 行選擇：可選擇2選1，行數減半；- 數據選擇：字節流上可進行2選1、4選1已經4選2 （注意：對于RGB565格式, 只能4選2可選，2選1及4選1會造成色彩數據錯亂）。2.5. DCMI 10/12/14數據線輸入
DCMI 支持最多14條數據線（D13 - D0），如果將DCMI配置為接收10、12或14位數據，DCMI將用2個像素時鐘周期捕獲一個32位數據。以12位數據寬度為例，DCMI在第1個像素時鐘捕獲12位LSB（忽略D[13 :12]），存于DCMI_DR寄存器低16位字中低12位，高4位（D[15 :12）清零；第2像素時鐘捕獲的12位LSB則存于DCMI_DR高16位字的低12位，高4位（DCMI_DR的[31 : 28]）清零。另外相機也必須配置為10/12/14位輸出。具體情況則由應用決定。
3.小結
本文通過介紹STM32 DCMI支持的最大像素時鐘頻率，支持的圖像分辨率及與幀率的關系，進而引出DCMI帶寬與性能提升的注意事項。另外附帶了DCMI圖像大小的調整及10~14數據線的簡介，為用戶遇到相關問題時提供思路參考。完整內容請點擊“閱讀原文”下載原文檔。
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