在全集成設計環(huán)境中開(kāi)發(fā)視頻IP

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 MicroBla ze 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。

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 矢量或矩陣信號在單個(gè)事務(wù)中向 FPGA 硬件讀出或寫(xiě)入。通過(guò)使用這些接口，您可以極大地減少仿真過(guò)程中 PC/硬件交易的數量，進(jìn)一步加快仿真速度，超出傳統硬件聯(lián)合仿真所能達到的速度。

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。