OV7670/OV7725/OV5640開發記錄終於到最后一講了，還是蠻累的。
一、SDRAM緩存處理
很多攝像頭工程都用到了SDRAM作為中間緩存，很多人一臉懵逼，我也是思考了好一陣才明白。先假設 OV5640 和 VGA 直接相連，中間不采用任何緩存器件，那會出現什么情況呢？
OV5640 的幀率為 30fps， VGA 的幀率為 60fps，且時鍾也完全不一樣。假設分辨率是 3x2 = 6，數據為：1，2，3，4，5，6。OV5640 幀率小，生成一個像素的時間假設是2秒，而 VGA 幀率大，需要一個像素的時間假設是 1s。在 6s 的時間里，VGA就請求了一幀數據，可這個時間里 OV5640 只生成了1，2，3共三個像素，VGA那邊就出現了空數據的情況。在 12s 的時間里，VGA 請求了兩幀數據，可這個時間里 OV5640 只生成了一幀數據，怎么來說都是錯的。上述假設是簡化了時間點，實際情況是 OV5640 生成像素和 VGA 請求像素的時間不一致，導致VGA總是要不到一幀圖像正確的數據，也要不全一幀圖像正確的數據。因此，OV5640 和 VGA 之間需要加入一個緩存器件，用於緩存一幀的數據，這樣 VGA 每次要一幀數據都可以被滿足。加入緩存器件的根本原因就是兩端時鍾不一致，導致讀寫速率不一致。
采用什么緩存器件呢？FIFO 和 RAM 是最常用的，但是一幀的圖像數據往往是 640x480、1280x768、1920x1280，每個像素是 16bit。數據量大，FPGA的片內資源無法滿足。因此需要引入外部緩存器件，如 SDRAM、DDR2、DDR3等。
二、無乒乓操作
SDRAM 正常使用其實是無乒乓操作，無乒乓操作是考慮不周的，除非一幀圖像是瞬間生成，OV5640 幀率 30fps，VGA 幀率 60fps，仿佛剛好可以寫一幀讀兩幀。但是一幀圖像實際情況是一行行的生成和讀取的，所以會出現 VGA 從SDRAM處讀的上半幀是新幀，而由於SDRAM緩存的下半幀還沒有被 OV5640 寫完，VGA 從SDRAM處讀的下半幀還是老幀。示意圖如下所示，紅線為寫，黑線為讀。
將上述 5 幀圖像生成的時間點編號為 t1、t2、t3、t4、t5。在 t1、t3、t5 時刻圖像都是殘缺幀（新老幀參半），在 t2、t4 時刻圖像才是完整的一幀，而 VGA 那邊可不管，每個時間點都會要一幀圖像，這就是錯幀現象。而解決錯幀現象的方法則是乒乓操作。
三、乒乓操作
1、乒乓操作原理
乒乓操作，使用兩個緩存區，寫緩存區 1 時讀緩存區 2，寫緩存區 2 時讀緩存區 1，讀寫交替。示意圖如下，紅線為寫，黑線為讀。
由示意圖可以看出，乒乓操作中，每次讀的（黑線）都是完整的幀，每一幀讀 2 次，這樣便沒有出現讀殘缺幀的現象，解決了錯幀問題。
2、乒乓操作設計
在上述設計中，由於寫讀速率為1:2，所以寫一幀讀兩幀即可，但是很多時候寫讀速率的比例是其他數值，那怎么辦呢？
（1）寫端在緩存區1寫完一幀數據就切換到緩存區2寫下一幀，寫完后又切換回緩存區1寫再下一幀，如此反復。
（2）讀端在緩存區2讀完一幀：
①如果寫端仍然在緩存區1，則讀端不切換緩存區，而是繼續在緩存區2重讀一幀。
②如果寫端離開了緩存區1，即切換到緩存區2了，說明寫端已經在緩存區1寫完了，則讀端可以切換到緩存區1。這樣就能保證讀端每次讀的都是完整的幀，就算有一小段時間是讀寫端都在同一個緩存區，但是由於寫慢讀快，寫是不會追上讀的，讀還是能讀完舊幀，之后舊幀才被新幀覆蓋。
寫慢讀快這樣設計就行，那如果寫快讀慢呢？其實也是一樣的思想，反過來即可。無論誰快誰慢，都是快端照顧慢端，即慢端一幀結束就離開自身緩存區到另一緩存區。快端則一幀結束后，先檢測慢端是否離開自身緩存區，是則切換過去，否則不切換過去，而是重新在自身緩存區再工作一幀。示意圖如下所示：
3、SDRAM乒乓操作
用兩片SDRAM來進行乒乓操作有些太浪費了，可以直接利用SDRAM里面的bank進行乒乓操作即可。雖然讀寫只有一根總線，但是SDRAM時鍾高，讀寫足夠快，可以滿足乒乓操作的需求。具體實現可以看這篇博客《DDR2（5）：DDR2自動讀寫控制器》，雖然是 DDR2，但道理是一樣的。
參考資料：
[1]正點原子FPGA教程
[2]小梅哥《OV5640圖像采集從原理到應用》
[3]開源騷客《SDRAM那些事兒》
[4]韓彬, 於瀟宇, 張雷鳴. FPGA設計技巧與案例開發詳解[M]. 電子工業出版社, 2014.