全集成設計環(huán)境中開(kāi)發(fā)視頻 IP

通常，視頻處理系統的實(shí)現需要支持各種視頻和音頻標準，并負責把信號從一種標準轉換到另一種標準。多媒體應用要求以視頻速率處理信號，這意味著(zhù)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中仿真必須實(shí)時(shí)運行。

典型的視頻處理系統使用一個(gè)微處理器來(lái)控制一個(gè)視頻流水線(xiàn)，該視頻流水線(xiàn)包括一個(gè)視頻源和宿，一個(gè)用于存儲視頻數據的大型存儲器，和一個(gè)視頻處理系統（圖 1）。

在實(shí)現和調試各種視頻算法時(shí)，您需要通過(guò)軟件和硬件仿真來(lái)驗證其功能性。視頻流的實(shí)時(shí)特性和每幀所需的大量視頻數據，令視頻處理應用的仿真產(chǎn)生了特別的挑戰。

設計環(huán)境

視頻基本套件 (VSK) 支持廣泛視頻應用領(lǐng)域的高性能視頻處理系統的快速開(kāi)發(fā)與調試。VSK 采用賽靈思®Virtex™-4 XC4VSX35 器件，該器件通過(guò)結構中高比例的乘法累加塊（也稱(chēng)為 DSP48）而針對 DSP 處理進(jìn)行了優(yōu)化，并具有豐富的視頻接口特性集支持，如 DVI、VGA、分量 (HD)、復合、S-視頻和 SDI等。

通常，開(kāi)發(fā)視頻算法需要使用硬件對實(shí)時(shí)數據流進(jìn)行視頻操作驗證，需要仿真環(huán)境來(lái)開(kāi)發(fā)和測試視頻處理組件。VSK 為視頻系統的每個(gè) 組件同時(shí)提供了軟件仿真和實(shí)時(shí)操作，可讓您開(kāi)發(fā)視頻 IP（包括濾波器、視頻塊集、加速器和視頻接口轉換）或最終應用程序，如編解碼器、圖像增強、動(dòng)態(tài)伽馬校正和運動(dòng)估計等。與工具套件的集成和 I/O 多樣性使能快捷而容易地把視頻引入板上和優(yōu)化其運行算法。

與 VSK 一起提供的還有參考設計，其中一些使用 HDL 編寫(xiě)，其他的則用Xilinx System Generator for DSP 設計環(huán)境構建。為了去除通過(guò)各種視頻接口引入數據并把它們發(fā)送到 Virtex-4 器件的復雜性，所以我們附帶了一個(gè)視頻接口塊集庫，使所有接口塊集均可通過(guò)一個(gè) MicroBlaze™ 控制器來(lái)進(jìn)行控制。

為了突出顯示 VSK 的部分能力，我將對 MPEG-4 第 2 部分解碼器演示設計進(jìn)行說(shuō)明。

MPEG-4 第 2 部分

該 MPEG-4 解碼器演示系統由 FPGA 硬件評估平臺、賽靈思 IP 核和嵌入式軟件組成，并一起對工業(yè)標準編碼視頻位流執行解壓操作。

對于此設計，FPGA 被編程為執行解壓和驅動(dòng)視頻顯示之用。一個(gè) Compact Flash 卡用于保存多個(gè)壓縮視頻流和 FPGA 配置位流。一個(gè)位于 FPGA 內的嵌入式處理器從 Compact Flash 卡讀取位流，將其寫(xiě)入一個(gè)外部 DDR 存儲器中，然后將其發(fā)送到 MPEG-4 第 2 部分解碼器。然后通過(guò)視頻 I/O 子卡，將解碼器的輸出重新格式化為要在外部監視器上顯示的視頻標準。

系統概覽如圖 2 所示。MPEG-4 解碼器核、DDR 存儲器控制器、顏色空間轉換器、VGA 接口、宏塊格式轉換器、以及 MicroBlaze 軟核處理器及相關(guān)外圍電路，在 XC4VSX35 FPGA 中實(shí)現。

而ZBT 存儲器、DDR 存儲器、System ACE™ 技術(shù)、Compact Flash 連接器、兩線(xiàn)式 LCD 顯示器，和一個(gè)數模轉換器，都是位于硬件平臺上。

嵌入式處理器

視頻系統一般需要有一個(gè)控制處理器。該處理器通常用于與主機系統通信，建立視頻處理操作，計算系數，且一般作為低速率數據處理器運行。
VSK 具有輸入與輸出源的視頻標準，與 System Generator 硬件聯(lián)合仿真能力相配合，可讓您通過(guò)實(shí)時(shí)視頻流快速測試和調試系統。

在該 MPEG-4 演示設計中，嵌入式 MicroBlaze 處理器用作總體系統級控制器，處理以下功能，如用戶(hù)接口，從 Compact Flash 卡中讀取壓縮位流，將位流發(fā)送到 MPEG-4 解碼器核，和監視所有系統狀態(tài)標志等。

通過(guò)Xilinx System Generator for DSP，可大大簡(jiǎn)化 MicroBlaze 處理器整合到框架中的設計流程。您可以結合使用 Xilinx System Generator 與嵌入式開(kāi)發(fā)套件 (EDK) 軟件工具，去實(shí)現和仿真具有一個(gè)處理器和 FPGA 視頻處理器功能、對實(shí)況視頻流進(jìn)行操作的系統。System Generator 自動(dòng)生成軟件驅動(dòng)程序來(lái)支持用于向 System Generator 設計的數據讀寫(xiě)。
 
兩種方法學(xué)目前均支持集成一個(gè) MicroBlaze 控制器：

• System Generator 設計導出到 EDK 系統。當在 pcore（處理器核）導出模式下使用時(shí)，內存映射塊和所有其他塊被封裝到一個(gè) pcore 外設中。內存映射接口的軟件驅動(dòng)程序及文檔也被生成并隨該外設一起提供。

R26; EDK 項目導入到 System Generator 設計中，以便進(jìn)行硬件聯(lián)合仿真。當在 EDK 導入模式下使用時(shí)，通過(guò)運行 EDK 導入向導將一個(gè) EDK 文件導入到 System Generator 中。當導入向導完成后，該 EDK 系統象一個(gè)黑盒子的被拉入 System Generator 設計中。在導入過(guò)程中，EDK 系統通過(guò)快速單工鏈路 (FSL) 接口進(jìn)行擴展，該接口用于與內存映射進(jìn)行通信。

硬件聯(lián)合仿真

觀(guān)看最后輸出視頻是所有視頻系統一項重要的質(zhì)量測量指標。VSK 具有的輸入與輸出源視頻標準，與 System Generator 硬件聯(lián)合仿真能力相配合，可讓您通過(guò)實(shí)時(shí)視頻流快速測試和調試系統。

System Generator 提供了硬件聯(lián)合仿真接口，可以將 System Generator 圖編譯為 FPGA位流，并將該位流與一個(gè)新的運行時(shí)硬件聯(lián)合仿真塊相關(guān)聯(lián)。當在 Simulink 中仿真該設計時(shí)，編譯部分的結果將通過(guò)硬件而非軟件來(lái)計算。

System Generator 提供了高速硬件聯(lián)合仿真接口，允許Simulink 矢量或矩

利用以太網(wǎng)技術(shù)的普及和先進(jìn)性，該接口提供給外部 FPGA 器件一種便捷和高帶寬的聯(lián)合仿真方法。

VSK 支持兩種以太網(wǎng)聯(lián)合仿真模式：

• 基于網(wǎng)絡(luò )的以太網(wǎng)硬件聯(lián)合仿真接口提供了通過(guò) IPv4 網(wǎng)絡(luò )基礎設施到 FPGA 平臺的聯(lián)合仿真接入。由于 IPv4 網(wǎng)絡(luò )分布廣泛，因此該接口提供了一種直接與連接到有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的遠程硬件進(jìn)行通信的方式。該接口特別適用于在遠處的 FPGA 平臺（如跨局或跨國），或多個(gè)設計者必須共享一個(gè)開(kāi)發(fā)板的情況?；诰W(wǎng)絡(luò )的以太網(wǎng)接口支持工作在 10/100 Mbps 半/全雙工模式。

• 點(diǎn)對點(diǎn)以太網(wǎng)硬件聯(lián)合仿真提供了一種通過(guò)原始以太網(wǎng)連接進(jìn)行的聯(lián)合仿真接口。原始以太網(wǎng)連接指第 2 層（數據鏈路層）以太網(wǎng)連接，位于一個(gè)支持的 FPGA 開(kāi)發(fā)板和一個(gè) PC 主機之間，沿途沒(méi)有路由網(wǎng)絡(luò )設備。點(diǎn)對點(diǎn)以太網(wǎng)接口支持工作在 10/100/1000 Mbps 半/全雙工模式。只要底層連接支持，還可支持在千兆位以太網(wǎng)連接的巨大框架。

結論

憑借這一完整且易用的解決方案，視頻基本套件是一個(gè)理想硬件平臺來(lái)評估賽靈思 FPGA成為廣泛的視頻與成像應用領(lǐng)域。通過(guò)完全集成 Xilinx System Generator for DSP 軟件并擁有其支持，VSK 可以充分利用新的高速以太網(wǎng)硬件聯(lián)合仿真能力，實(shí)現編解碼器、IP 和視頻算法的實(shí)時(shí)系統集成、開(kāi)發(fā)和驗證。

VSK 包括軟件、硬件、相機、電纜和一份詳細的用戶(hù)指南及參考設計。它包括一套限制版的 System Generator for DSP、ISE™ 軟件，和嵌入式設計套件 (EDK) FPGA 設計工具，以及一個(gè)賽靈思 ML402-SX35 開(kāi)發(fā)板，視頻 I/O 子卡 (VIODC)，CMOS 圖像傳感器相機，電源和電纜。
欲了解更多信息，請查看《VSK 用戶(hù)指南》：www.xilinx.com/bvdocs/ userguides/ug217.pdf，或 MPEG-4 演示設計：www.xilinx.com/ bvdocs/userguides/ug234.pdf。