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基于Avalon-ST接口帧读取IP核的设计和应用

归档日期:07-04       文本归类:帧格式      文章编辑:爱尚语录

  集成到单片FPGA上,它同时具有软件和硬件所固有的特点。利用SoPC Builder将自定义的的可移植性、复用性,提高产品设计效率[1]。IP核通过Avalon总线与Nios II进行数据交互,Avalon片内总线成为CPU与IP核交流的桥梁,直接影响系统的整体效率。Avalon总线是Altera公司专门为SoPC而推出的一套片内总线系统,与Nios系列的处理器软核一起,二者构成了Altera公司SoPC方案中的核心部分。Avalon总线标准规定了Avalon-MM(Memory Mapped)和(Strming)两种接口[2]。使用SoPC技术进行视频数据处理时,两种接口的不同使用可以提高系统的运行速度。接口是一种单向点对点的高速接口,主要针对的是高速数据流的传输,减少数据流处理中的瓶颈,特别适合处理图像和视频数据,利用

  本设计研究了如何将从外部存储器中读取的视频数据转换为满足Avalon-ST视频处理协议的视频流,针对Altera公司提供的视频及图像处理套件中Frame Reader IP核只支持紧缩格式的使用局限,设计并实现了紧缩和平面两种帧格式的帧读取IP核。

  带有Avalon-ST接口的IP核可以用来处理要求高带宽、低延迟、单向性的数据。典型应用包括多路复用数据流、数据包及DSP数据处理等。Avalon-ST接口信号既可以用来描述传统的没有确认信号的简单数据流,也可以描述复杂的带有传输协议或多通道交叉存取的数据包传输。

  Avalon-ST接口包含两种传输方式:普通传输方式和包传输方式[4]。普通传输方式如图1所示。

  图中写明了用到的接口信号,带箭头的横线表示端口的作用方向,省略了端口接收端的信号名称。当ready信号有效时,发送端通过data端口发送数据,valid信号指明了发送的数据是否有效。channel为通道号,error信号为错误标识号,零值代表传输无误。

  包传输方式是在普通传输方式的基础上增加了startofpacket、endofpacket、empty三个信号,实现了对封包型数据传输的支持。Startofpacket信号用来标识包的开始,endofpacket表示包的结尾,empty代表了包结尾的补零个数。

  Altera公司提供的视频及图像处理套件可以方便、灵活地对视频和图像进行处理。它提供通用的Avalon-ST接口及Avalon-ST视频处理协议,使用Avalon Memory-Mapped(Avalon-MM)接口连接外部存储器模块并进行实时控制,可以很方便地通过MegaWizard面板进行参数设置及硬件生成。视频及图像处理套件中的IP核使用Avalon-ST视频处理协议,该协议以封包的方式通过Avalon-ST接口传输控制数据和视频数据。在很大程度上减小了视频处理系统对外部控制逻辑的需求。

  Avalon-ST视频处理协议将包分成若干个记号,每个记号代表一段单独数据。传输前需要确定一个周期中并行传输的记号个数及记号位宽,每个记号最小为4位。传输的视频数据包只能是未压缩的视频数据,控制数据包用来对输入的视频数据进行配置。每个包并行传输的第一组记号中,最低4位为包类型标识符。0代表视频数据包,1~8为用户自定义包类型,9~14保留将来使用,15表示控制数据包。

  一个视频数据包包含完整的逐行扫描帧或隔行扫描场的像素值,按图像平面中从左上到右下的顺序扫描发送,发送前需要确定颜色模式Color Pattern和每个像素占用的比特数。每个像素对应传输中的一个记号,其位宽也决定了记号的位宽。颜色模式是对颜色平面采样的组织形式,每种颜色模式都可按并行方式传输或串行方式传输。一般常用的颜色模式有RGB、YCbCr、YCbCr(4:2:2)和YCbCr(4:2:0)。

  控制数据包用来传输控制信号,除了4位的包类型标识符15外,还包含宽(Width)16位、高(Height)16位、隔行标志位(Interlacing)4位。宽为一帧图像每行所包含的像素数,高为一帧或一场中包含的行数。隔行标志位Interlacing的前两位指明了下一个视频数据包是否为隔行扫描方式,00表示逐行扫描方式,10表示偶数场,11为奇数场。当前两位为10或11时,标志位中的后两位用于隔行数据的同步。

  每次发送视频数据包之前必须先发送控制数据包,每个控制数据包一般由10个有效记号组成,每个记号只使用最低4位,其余位不使用。第一个有效记号为包类型标识符,剩下的9个有效记号为宽、高和隔行标志位。图3为并行传输3个记号的控制数据包。

  图中第一列记号是包类型标识符,F为十六进制数,等于十进制数中的15。记号1~4的低4位共同组成16位的帧宽,记号5~8的低4位组成16的帧高,记号9的低4位为隔行标志位(Interlacing 4位)。

  利用SoPC技术进行视频数据处理时,待处理的原始视频数据可以是由外部设备输出的视频信号,也可以是存放在外部存储器中的视频数据。当视频数据存放在存储器中时,SoPC系统需要使用Avalon-MM接口从外部存储器中读取视频数据,然后通过Avalon-ST接口将原来的视频数据转为满足Avalon-ST视频处理协议的视频流,以方便之后使用Altera视频及图像处理套件对视频进行处理。因此系统中需要一个帧读取IP核来完成这种转换。

  一帧完整的图像其像素数据在存储器中有多种组织形式,按颜色空间可以分为RGB型和YUV(YCbCr)型。如果是YUV模型,又可以按组织方式分为平面型和紧缩型,按采样比可分为4:4:4、4:2:2和4:2:0等。一般RGB模型均为紧缩型,按像素值的位数不同可分为RGB24、RGB32等。总的说来,常用的数据格式有RGB24、RGB32、YV12、I420等几种。

  现有的Altera公司提供的视频及图像处理套件中Frame Reader模块可以将存储器中视频数据转为满足Avalon-ST视频处理协议的视频流,但该IP核只支持紧缩格式,原始数据在存储器中必须按像素扫描顺序连续存放。而实际中有多种帧格式,例如I420是平面格式,这种情况就无法使用Frame Reader了。

  在实际应用中,由于Altera的Frame Reader使用限制,作者自行研发了帧读取IP核(Frame Reader),除了实现紧缩格式的视频数据转为满足Avalon-ST视频处理协议的视频流,还能实现I420到RGB24的平面格式的转换。

  该IP核应包含Avalon总线读取模块,帧格式转换模块、视频流输出模块,以及控制器和控制寄存器组。如图4所示。Avalon总线读取模块用于访问Avalon总线,从而读取外部存储器中的视频数据。帧格式转换模块完成YUV向RGB的转换,视频流输出模块用来产生满足Avalon-ST视频处理协议的视频流。

  图中实线为数据流向,虚线为控制信号流向。双向箭头同时表示了主控制器的控制信号,以及被控模块的反馈信号。

  Avalon总线读取模块使用基于地址读写的Avalon-MM接口,这种接口包含主端口和从端口。主端口能主动发起传输信号,从端口对传输信号进行响应,两种接口在数据传输过程中通过Avalon交换结构相连接。Avalon总线读取模块需要读取视频数据,并能够主动对Avalon总线发起读取信号,因此应使用Avalon-MM主端口。

  当总线读取模块工作时,主控制器传入地址和读入字节数目等参数后启动该模块,该模块对总线发起数据读取操作。由于外部存储器中的视频数据为I420格式,即采样比为4:2:0,因此每读取一行视频数据,要读取两次Y分量、一次U、V分量,这样就完成了采样比4:2:0到4:4:4的转化。该模块内部包含一个FIFO作为输入缓存,当模块从总线上读取数据后,直接将数据按读入的顺序输入FIFO,以便后续模块处理。

  RGB24格式是紧缩型格式,在存储器中是按扫描顺序连续存放的,每个像素分量占8位,共24位。I420格式是颜色模型为YUV,采样比为4:2:0的平面格式。Y、U、V三个分量在存储器中分别占用单独的一片存储区域,Y分量的数目与原始帧的像素个数一致,U、V分量只是原始像素个数的1/4。把Y分量平面按2×2进行划分,相邻构成正方形的4个Y分量划为一组,每组共用一个U、V分量。例如:Y_0,0、Y_0,1、Y_1,0、Y_1,1四个分量共用U_0,0和V_0,0。

  RGB24和I420转换公式需要浮点运算,而Verilog-HDL语言无法直接处理浮点数[6],因此设计中将原公式放大2n倍后再进行处理,然后再缩小相应的倍数。颜色空间转换模块时序如图5所示。当iDVAL信号为1时,表示输入数据Y、Cb、Cr有效,模块处理完后,oDVAL信号置1,此时输出数据Red、Green、Blue有效。

  经过颜色空间转换模块处理后的数据,按顺序写入作为输出缓存的FIFO。从图6中可以看出,当dout_ready信号有效时,视频流输出模块首先发送控制数据包。输出的数据流为并行传输模式,每个周期同时传输3个记号(symbol),每个记号占8位。将dout_data信号改写为并行8位模式,可以看出视频流为176×144的逐行扫描数据。

  startofpacket和endofpacket分别标记了数据包的开始和结尾。控制数据包发送结束后,第二个周期开始发送视频数据;一帧视频数据完全发送完后,开始等待发送下一帧数据。

  通过测试发现,本文设计的IP核占用的逻辑单元略少于Altera公司的Frame Reader IP核,可综合的最高工作频率fmax也较高,且在功能上更完善。由于IP核具有颜色空间转换功能,减少了Nios II软件开发的负担,因此使用该IP核开发SoPC视频处理系统更加方便、灵活,系统性能可得到进一步提升。

  本文针对传统的视频处理系统,研究了一种基于Avalon-ST接口的帧读取模块的设计。该IP核突破了现有的Frame Reader模块局限,解决了传统视频处理系统的传输接口瓶颈问题。该IP核在视频处理系统的使用中,具有较大的灵活性、优越性。SoPC的IP核复用技术使得设计成果具有很强的实用性、通用性和扩展性。

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