应用笔记 | STM32 DCMI 的带宽与性能介绍

1. 引言

随着市场对更高图像质量的需求不断增加，成像技术持续发展，各种新兴技术（例如3D、计算、运动和红外线）的不断涌现。如今的成像应用对高质量、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。为了满足这些要求，STM32 MCU 内置的数字照相机接口（DCMI），能够高效连接并行照相机模块。 对于使用STM32 DCMI 开发相机应用的客户，经常有以下问题：STM32 DCMI 最大支持的像素时钟是多少？STM32F4/F7/H7/U5 能支持1280×720 的相机分辨率吗？最大的帧率是多少？如何判断所设计的应用产生的带宽是否能充足？相机输出是选择8 位、10位、12 位、还是14 位？ 针对这些问题，本文档从DCMI 使用的几个方面，介绍了STM32 DCMI 在连续抓取模式下带宽的估算，以及提升性能需要注意的事项。客户在设计相机应用时可以参考。

2.STM32 DCMI

STM32 数字照相机接口（DCMI）采用同步并行数据总线。它可以轻松集成并适应相机的特殊应用要求。DCMI 可连接8、10、12 和14 位CMOS 照相机模块，并支持多种数据格式：8/10/12/14 位逐行视频、YCbCr42 逐行视频、RGB565 逐行视频、JPEG 等。像素最大支持16 位色深。 2.1. STM32 智能架构中的DCMI DCMI 应用需要用帧缓冲区来存储采集的图像。必须根据图像大小和传输速度使用合适的目标存储区。在某些应用中，必须连接外部存储器（SDRAM），以便提供较大的数据存储空间。对于支持DMA2D（Chrom-ART Accelerator控制器）的STM32 系列，也可以用它做色彩空间转换（例如RGB565 至ARGB8888），或使用DMA 从一个存储区到另一个存储区的数据转移。 下面图1 是STM32F2x7 系列智能架构中DCMI 的例子。这里DCMI 通过AHB2 外设总线连接到AHB 总线矩阵。DMA2 主控访问DCMI，将DCMI 接收到的图像数据传输到内部RAM 或外部SDRAM 中，具体目标位置取决于应用。

图1. STM32F2x7系列智能架构中的DCMI从设备AHB2外设2.2. DCMI 最大像素时钟频率STM32 DCMI支持的像素时钟频率，与AHB时钟频率比值必须小于0.4。具体的像素时钟频率最大值要查询所用STM32的数据手册。下面表1中列出了部分STM32系列DCMI最大像素时钟频率及相关可用资源的信息。如需更详细信息，请参考相应的参考手册/数据手册。

表1. DCMI及相关可用资源

2.3. DCMI 支持的图像分辨率STM32 DCMI仅对输入像素时钟频率有硬件限制（DCMI_PCLK / fHCLK 最大0.4），对图像的分辨率没有限制。DCMI连续抓取模式下，图像分辨率会影响帧率（帧率的大小会影响视频的流畅度）。在固定的像素时钟频率下，高分辨率图像的带宽需求较高，对应的帧率则会下降。或者说，在相同的图像分辨率下，提高帧率需要相应地提高像素时钟频率。例如下表2（摘自三星S5K5CAGA CMOS Image Sensor的数据手册）所示，大家可以从中了解S5K5CAGA的像素频率、图像分辨率、帧率的关系(非RGB888，16位色深)。另外，图像分辨率主要通过设置相机的输出格式进行修改。

表2. S5K5CAGA YUV/RGB565

像素时钟频率与帧率对于中高分辨率的图像，一般采用双缓冲区或多缓冲区模式。这个主要原因是因为DCMI使用的DMA计数寄存器SxNDTR使用了16位用于计数。最大0xFFFF，即 65535 ，单位为32位Word，当图像分辨率超过65535 Words（262140字节）时，则要使用双缓冲区或多缓冲区模式。双缓冲区地址由DMA_SxM0AR/DMA_SxM1AR设定。多缓冲区时，则需要动态交替DMA_SxM0AR/DMA_SxM1AR，使之指向图像缓冲区的不同存储位置，相当于分块存储。

2.4. DCMI 带宽与性能使用DCMI的相机应用，使用连续抓取模式，功能往往是由相机连续输出所摄图像数据流到STM32，STM32 DCMI捕获视频流后，再输出到屏幕显示（如监控）或做图像数据处理、传输等。如果相机输出的是高像素高色深高帧率的视频流，DCMI在接收过程中，如不能及时处理，DCMI FIFO即会产生溢出错误(Overrun)，进而导致图像数据丢失，帧率下降等问题。

2.4.1. DCMI 

带宽与性能

DCMI带宽计算公式为：带宽 = 分辨率 * 色深 * 帧率。以三星S5K5CAGA为例，如表2中第1行数据（这里相机采用RGB565，16位/像素，8位输出格式），则QXGA输出的带宽需求 =（2048 * 1536）* 2 * 6 ≈ 38MBps。像素时钟为40MHz，8位输出，每2个CLK传输1个像素数据，对应的最大输出能力为40 MBps。则QXGA在40MHz的像素时钟频率下是可以以6帧/秒的帧率输入到DCMI的。DCMI捕获图像数据流，再由DMA传输到图像缓冲区，该例中，图像缓冲区（帧缓冲区）的大小为：2048 * 1546 * 2 ≈ 6.3 MByte。高像素高色深的图像，对应的图像缓冲区较大。当MCU内置的SRAM不能满足DCMI图像缓冲区需求时，则需要用外部SDRAM来存储。例如STM32F469 MCU（见表1，第6行数据），其FSMC支持的最大频率为90MHz，宽度32位，则SDRAM的带宽 = 90 * 4 = 360 MBps，能够满足DCMI带宽的需求。一般，DCMI图像缓冲区中的数据是需要再次传输或由CPU进行计算处理的，理论上DCMI输入的带宽需求最大不应超过SDRAM的带宽的50%。这里需要注意SDRAM可能存在多个主控（如CPU、DMA、LTDC等）的访问，如遇到SDRAM性能瓶颈问题，可考虑下列方面进行优化：（1）将各主控设备访问的存储器尽量分开，以减少竞争访问；（2）将CPU访问的SDRAM Bank 与DCMI图像缓冲区的Bank分开；（3）将DCMI图像缓冲区区域设为不可缓冲，CPU 访问的区域则可以设为可缓冲。对于性能，另外一个重要因素是总线竞争问题。DCMI DMA申请的AHB总线访问（即使在使用FIFO的情况下）并非长Burst的访问。如果AHB总线上存在其它长Burst访问（最大1KByte），会造成DMA延迟访问DCMI，令其不能及时将DCMI FIFO中的数据传输出去。可以认定：DCMI需要传输数据时的总线繁忙是造成 其FIFO 溢出错误的根源。解决办法除了直接为设备分配不同SDRAM之外（将长Burst访问放在其他SDRAM），还可以考虑在内部SRAM增设DCMI LineBuffer，化零为整，巧妙避开AHB 长Burst 访问造成的DCMI延迟问题。数据流如下：（1）DCMI（经DMA）=> 内部SRAM（LineBuffer） ;（2）内部SRAM（LineBuffer）=> 外部SDRAM（图像Buffer）。由LineBuffer 到SDRAM的数据中转传输请求，可使用DCMI IT_LINE 中断(行结束)触发。这里MCU如果是STM32F7/H7系列，还可使用MDMA 充分发挥AXI总线的优势，但要注意LineBuffer 最好是8字节的倍数（64位总线）。

2.4.2. DCMI 图像大小调整功能当考虑了上面的措施，仍无法满足应用对高分辨率需求时，用户可以通过设置相机，修改相机输出分辨率，配合DCMI调整图像大小功能，找到合适的折中方案。DCMI提供的相关功能如下：（1）窗口裁剪：使用寄存器DCMI_CWSTRT指定起始坐标；使用寄存器DCMI_CWSIZE指定窗口大小。（2）图像数据调整（详见寄存器DCMI_CS中LSM/BSM等位域）：- 行选择：可选择2选1，行数减半；- 数据选择：字节流上可进行2选1、4选1已经4选2 （注意：对于RGB565格式, 只能4选2可选，2选1及4选1会造成色彩数据错乱）。

2.5. DCMI 10/12/14数据线输入

DCMI 支持最多14条数据线（D13 - D0），如果将DCMI配置为接收10、12或14位数据，DCMI将用2个像素时钟周期捕获一个32位数据。以12位数据宽度为例，DCMI在第1个像素时钟捕获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像素时钟捕获的12位LSB则存于DCMI_DR高16位字的低12位，高4位（DCMI_DR的[31 : 28]）清零。另外相机也必须配置为10/12/14位输出。具体情况则由应用决定。

3.小结

本文通过介绍STM32 DCMI支持的最大像素时钟频率，支持的图像分辨率及与帧率的关系，进而引出DCMI带宽与性能提升的注意事项。另外附带了DCMI图像大小的调整及10~14数据线的简介，为用户遇到相关问题时提供思路参考。