《電子技術(shù)應(yīng)用》
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高密度可編程FIFO存儲(chǔ)器在視頻圖像中的應(yīng)用
摘要: 在這篇文章中,我們將首先介紹幾個(gè)視頻應(yīng)用,了解其數(shù)據(jù)路徑及需要處理的數(shù)據(jù)性質(zhì)。下一步,我們將盡力估計(jì)在視頻處理通道中操作數(shù)據(jù)的復(fù)雜性。然后會(huì)介紹可編程高密度FIFO和其能力,以及它如何能更有效率的替代當(dāng)前傳統(tǒng)的使用SDRAM和FPGA實(shí)現(xiàn)幀緩存的方案.
關(guān)鍵詞: SoPC 可編程 FIFO 視頻圖像
Abstract:
Key words :

     在這篇文章中,我們將首先介紹幾個(gè)視頻應(yīng)用,了解其數(shù)據(jù)路徑及需要處理的數(shù)據(jù)性質(zhì)。下一步,我們將盡力估計(jì)在視頻處理通道中操作數(shù)據(jù)的復(fù)雜性。然后會(huì)介紹可編程高密度FIFO和其能力,以及它如何能更有效率的替代當(dāng)前傳統(tǒng)的使用SDRAM和FPGA實(shí)現(xiàn)幀緩存的方案.

  視頻應(yīng)用概述:

  圖1顯示了IPTV的系統(tǒng)框圖。輸入傳輸流可以是任何編碼形式如DVB -ASI,MPEG2或SDI,他們通過(guò)用多格式解碼器(multi-format CODEC)傳輸,轉(zhuǎn)換成(即解碼或重解碼)成H.264傳輸流。經(jīng)編碼的傳輸流用通道信息封裝并通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送。在接收路徑,到來(lái)的傳輸流在顯示之前要進(jìn)行解碼和后處理,例如降噪、顏色增強(qiáng),縮放,去隔行等。

  

電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 

  圖2顯示了一個(gè)用于電影制作和攝影棚的HD(高清)專業(yè)相機(jī)的系統(tǒng)框圖。捕獲到的圖像經(jīng)過(guò)一個(gè)圖像處理器,進(jìn)行色彩處理、亮度提高、數(shù)碼縮放、幀速率轉(zhuǎn)變等等。圖像處理單元通常使用一個(gè)基于FPGA的設(shè)計(jì),由于大部分的圖像處理是專有的,會(huì)經(jīng)常發(fā)生變化。應(yīng)用處理器管理與其它設(shè)備的通訊以及壓縮并存儲(chǔ)捕獲到的內(nèi)容到海量存儲(chǔ)(HDD)。應(yīng)用處理器也有一個(gè)圖形引擎來(lái)進(jìn)行屏幕顯示(OSD),它和進(jìn)來(lái)的視頻混合后顯示。

  

電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

從上述例子中,我們可以看到數(shù)據(jù)處理包括兩種類型:

 

  1) 幀同步: 在一些任務(wù)中需要幀同步(例如,通過(guò)以太網(wǎng)傳輸和接收時(shí),當(dāng)碼流速度不斷變化而解碼器需要一個(gè)恒速的傳輸流)。雖然存儲(chǔ)器對(duì)同步的要求似乎很小,但當(dāng)涉及到多個(gè)碼流時(shí)它可能很顯著。這種同步可以由一個(gè)異步FIFO實(shí)現(xiàn)。

  2) 幀存儲(chǔ): 幀存儲(chǔ)在這些地方需要:任何暫時(shí)的處理如幀率轉(zhuǎn)換,數(shù)碼變焦(縮放),或執(zhí)行去隔行。儲(chǔ)存的幀數(shù)量隨著需要的臨時(shí)信息數(shù)目增加而增加。當(dāng)視頻數(shù)據(jù)按照本來(lái)的順序時(shí),幀緩存也必須是“先進(jìn)先出”。

  通過(guò)上面的討論,我們可以說(shuō),所有的儲(chǔ)存和同步都可以使用FIFO實(shí)現(xiàn)。那么理想的FIFO應(yīng)該是多大的呢?一個(gè)典型的1080p 幀,10位 4:2:2格式將需要存儲(chǔ)器大小為39.55M位(每行像素?cái)?shù)*每幀行數(shù)*每像素比特?cái)?shù)= 1920*1080*20)。預(yù)計(jì)總?cè)萘靠梢酝ㄟ^(guò)需要存儲(chǔ)的幀數(shù)乘以這個(gè)數(shù)字。典型的視頻處理算法需要存儲(chǔ)2到3幀,這意味著總?cè)萘恳_(dá)到120M位。由于不可能有如此大的基于片上SRAM的FIFO存儲(chǔ)器,一般的方法是使用一個(gè)DRAM來(lái)緩存這個(gè)數(shù)據(jù)。

  高密度FIFO -傳統(tǒng)的實(shí)施和及其復(fù)雜性。

  幀緩存就是高密度FIFO,傳統(tǒng)上使用外部DDR SDRAM實(shí)現(xiàn)。舉例說(shuō)明一個(gè)典型的視頻處理應(yīng)用和這些FIFO如何實(shí)現(xiàn)。

  

電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 

  圖3顯示了一個(gè)典型情況的數(shù)據(jù)路徑,有4種不同來(lái)源的視頻流需要顯示在同一個(gè)顯示器上。四個(gè)以1080p60(24位RGB)分辨率捕捉視頻的高清相機(jī)使用一個(gè)cameralink接口連接到系統(tǒng)上。色彩空間轉(zhuǎn)換 (從RGB到Y(jié)CbCr)及色度采樣降低(從4:4:4到4:2:2)后,橫向和縱向幀按比例減少,并儲(chǔ)存在DDR2 SDRAM里。存儲(chǔ)的幀可以按要求讀回和定位,結(jié)果幀和融合幀然后提高采樣速度和色彩空間轉(zhuǎn)換為通過(guò)LVDS連接來(lái)驅(qū)動(dòng)面板。

  讓我們看看存儲(chǔ)器大小和帶寬要求:

  (i) 大小要求:

  盡管這里沒(méi)有涉及到時(shí)間處理,為了避免一個(gè)源的兩幀被分開(kāi)儲(chǔ)存,這樣當(dāng)一幀正在寫時(shí),另一個(gè)幀可能要讀回來(lái)。兩幀圖像的大小是((1920 * 1080 * 16)/ 4)* 2 ~ = 63.3M位。

  (ii)帶寬要求:

  由于讀和寫路徑為復(fù)用的,所需帶寬是讀、寫路徑帶寬之和。

  寫路徑頻率=(每個(gè)客戶端頻率)*( 客戶端數(shù)量)=(148.5/4 )* 4 = 148.5MHz

  讀路徑頻率=輸出幀分辨率頻率= 148.5MHz。

  實(shí)際的工作頻率為( (讀頻率+寫頻率) / 2 +其它開(kāi)銷),因?yàn)榻涌诠ぷ髟陔p數(shù)據(jù)速率,并且還有一些其它開(kāi)銷,如DRAM存儲(chǔ)器刷新周期、bank地址切換等等。假設(shè)為80%的效率,那么將在185MHz的頻率運(yùn)行。

  (iii)內(nèi)存接口大小和I / O需求:

  當(dāng)畫面以16位4:2:2格式存儲(chǔ)時(shí),一個(gè)16位接口就足夠了。根據(jù)計(jì)算,F(xiàn)PGA 的I/O總數(shù)的為46:

  時(shí)鐘引腳(2個(gè)用于差分時(shí)鐘,1個(gè)用于時(shí)鐘使能)= 3引腳

  命令引腳(片選,RAS, CAS, WE)= 4引腳

  地址引腳(14個(gè)地址線、3個(gè) bank地址線)= 17引腳

  數(shù)據(jù)線(X16接口)= 16引腳

  數(shù)據(jù)選通及分離(4個(gè)引腳用于2微分DQS,2個(gè)用于分離數(shù)據(jù))= 6引腳

  高密度FIFO -離散的存儲(chǔ)器:

  現(xiàn)在讓我們看看使用離散可編程高密度FIFO的實(shí)現(xiàn)方式和特性定義,這樣DDR2 SDRAM存儲(chǔ)器就可以由簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)便可以由簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)代替。

  (i)多隊(duì)列特點(diǎn):

  如果FIFO存儲(chǔ)器定義為一個(gè)單一塊的內(nèi)存,那么寫多個(gè)視頻流是不可能的。因此,F(xiàn)IFO必須能夠配置并分成多個(gè)隊(duì)列。在上文的例子中,有四種不同的畫面要寫,并且四個(gè)幀必須同時(shí)從不同的隊(duì)列同時(shí)。因此,我們的應(yīng)用需要至少八個(gè)隊(duì)列。

  (ii)分離和重傳:

  有可能從一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的FIFO曾經(jīng)讀過(guò)的數(shù)據(jù)又從FIFO丟失了。FIFO指針可以重新編程,允許任何幀都可以根據(jù)需求多次讀出。

  圖4顯示了賽普拉斯CYFX072VXXX HD-FIFO的框圖。

  

電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 

  

電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 

  圖5給出了使用賽普拉斯HDFIFO替代DDR2芯片的應(yīng)用案例。離散HD-FIFO相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì):

 

  結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn):

  (i) 由于讀和寫路徑是分開(kāi)的,沒(méi)有其它操作開(kāi)銷,操作頻率可以降低一半以上,這些都是很顯著的優(yōu)勢(shì)。

  (ii)由于使用的是SDRAM控制器,不需要仲裁機(jī)制,F(xiàn)PGA內(nèi)部邏輯變得更簡(jiǎn)單。

  (i) 信號(hào)開(kāi)關(guān)頻率降低一半以上,允許增加建立時(shí)間余量,相對(duì)于DDR2來(lái)說(shuō)沒(méi)有嚴(yán)格的輸出同步要求。

  (iv) 設(shè)計(jì)里時(shí)鐘域的數(shù)量減少了,因此降低了相關(guān)時(shí)序切換和交叉時(shí)鐘域的問(wèn)題。

  電氣優(yōu)點(diǎn):

  (i)減少了信號(hào)切換頻率,從而減少了線路板上的開(kāi)關(guān)噪聲。

  (ii) HD-FIFO 的IO邏輯可以是任何LVCMOS接口,相對(duì)于DDR2 SDRAM的SSTL2邏輯有更大的噪聲冗余。

  節(jié)省成本:

  在高端FPGA的解決方案中使用HD FIFO可以節(jié)省 FPGA資源,具體如下:

  (i) SDRAM控制器,降低了所需的存儲(chǔ)器,I/O,和邏輯

  (ii)視頻處理功能,這些功能可以采用多隊(duì)列特征在HD FIFO上實(shí)現(xiàn),如:

  a. 視頻信號(hào)的隔行/去隔行

  b. PIP實(shí)施

  c. 交叉信號(hào)處理

  使用高密度FIFO可以節(jié)省邏輯元件,寄存器,內(nèi)存和I / O,可以幫助開(kāi)發(fā)人員把高端FPGA換為更小的FPGA,從而可以節(jié)省20 ~ 30%的成本。

  

Figure6.有無(wú)高密度FIFO系統(tǒng)框圖比較。(電子系統(tǒng)設(shè)計(jì))

 

  Figure6.有無(wú)高密度FIFO系統(tǒng)框圖比較。

  高密度FIFO基于SRAM技術(shù),為客戶提供了高數(shù)據(jù)可靠性和低延遲性。簡(jiǎn)單易用的總線接口可以減少實(shí)施和調(diào)試工作。高密度FIFO密度可以達(dá)到144 Mb,速度可以到150 MHz,具備segment特色,還有很多增值功能,如多隊(duì)列和可選的存儲(chǔ)器架構(gòu),可以幫助開(kāi)發(fā)人員設(shè)計(jì)更快、更有效率,從而使其適應(yīng)廣泛的應(yīng)用。它已經(jīng)是一個(gè)成熟的解決方案,可以加速推向市場(chǎng)的時(shí)間,同時(shí)減少相關(guān)設(shè)計(jì)工作。該器件還可提供很寬的擴(kuò)展選擇,可以適應(yīng)視頻廣播,軍事,醫(yī)學(xué)影像,基站(網(wǎng)絡(luò))設(shè)備,滿足很多應(yīng)用,如:

  普通高清格式幀緩存 (720p ,1080i ,1080p): 存儲(chǔ)四個(gè)1080p分辨率的幀

  HDTV/SDTV幀同步

  交換或格式轉(zhuǎn)換器盒子

  高端數(shù)碼攝像機(jī)

  軍事雷達(dá)中高密度緩存

  醫(yī)學(xué)成像

  基站--3G,4G及網(wǎng)絡(luò)

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