利用可編程邏輯實(shí)現(xiàn)靈活高效的多媒體信號(hào)處理

可編程嵌入式處理器

大部分多媒體產(chǎn)品不僅需要進(jìn)行信號(hào)處理，而且需要使用某種類型的微控制器或處理器來完成指令和控制功能或其它日常任務(wù)。對(duì)于從最小的消費(fèi)產(chǎn)品到最大的專業(yè)視頻產(chǎn)品的各類多媒體系統(tǒng)，基于FPGA的嵌入式處理器(如Nios II)向設(shè)計(jì)者提供了靈活地定制各種要求的能力。多媒體系統(tǒng)開發(fā)者面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)是選擇合適的(既不降低性能也不減少功能的)處理器。至今有眾多供應(yīng)商提供了數(shù)百種型號(hào)的處理器，其外圍設(shè)備、存儲(chǔ)器接口和性能特性也各不相同。

FPGA嵌入式處理器可以降低BOM和PCB版圖成本。在需要多個(gè)處理器的情況，開發(fā)工具將允許用戶創(chuàng)建多處理器系統(tǒng)，進(jìn)而提升系統(tǒng)的性能或把軟件應(yīng)用分成更簡(jiǎn)單的任務(wù)?？梢葬槍?duì)最大系統(tǒng)性能或最小邏輯使用率對(duì)Nios II內(nèi)核進(jìn)行優(yōu)化，或者在系統(tǒng)性能和邏輯使用率之間取得平衡。該內(nèi)核可以方便地通過配置實(shí)現(xiàn)乘法器、用戶設(shè)定的高速緩存、定制指令、硬件調(diào)試邏輯等特性以適應(yīng)特殊的性能需求。

Nios II嵌入式設(shè)計(jì)套件(EDS)支持創(chuàng)建定制的多內(nèi)核系統(tǒng)。Nios II處理器與超高密度的FPGA(如Stratix III器件系列產(chǎn)品)相結(jié)合可以創(chuàng)建出非常理想的高性能多處理器應(yīng)用系統(tǒng)。Nios II的典型應(yīng)用如圖4所示。

圖4：NIOS II嵌入式處理器的典型系統(tǒng)應(yīng)用。

嵌入式存儲(chǔ)器和外部存儲(chǔ)器接口

存儲(chǔ)器是所有視頻處理應(yīng)用(如視頻壓縮編碼、2D濾波和縮放)都需要的關(guān)鍵構(gòu)建模塊之一?，F(xiàn)在，由于FPGA提供了眾多的內(nèi)部專用存儲(chǔ)器模塊，因此一個(gè)FPGA就可以實(shí)現(xiàn)完整的多媒體系統(tǒng)。這些內(nèi)部存儲(chǔ)器模塊包括RAM、ROM、FIFO、雙端口存儲(chǔ)器和移位寄存器。大多數(shù)系統(tǒng)通常需要使用存儲(chǔ)器來滿足各種復(fù)雜功能(如通訊、數(shù)字信號(hào)處理、電子數(shù)據(jù)處理和控制應(yīng)用)所需要的不同存儲(chǔ)需求。

Stratix器件中包含的TriMatrix存儲(chǔ)器架構(gòu)提供了多種不同的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜設(shè)計(jì)中的各種存儲(chǔ)器功能。在存儲(chǔ)器帶寬不夠充裕時(shí)，設(shè)計(jì)師可以使用較小的M512 RAM模塊實(shí)現(xiàn)先入先出(FIFO)和時(shí)鐘域緩存功能。M-RAM模塊可以使FPGA滿足大型緩存應(yīng)用(如知識(shí)產(chǎn)權(quán)包緩存和系統(tǒng)高速緩存)的需求。M4K模塊非常適合為消費(fèi)多媒體應(yīng)用(如數(shù)字電視視頻增強(qiáng))提供中等規(guī)模的存儲(chǔ)器應(yīng)用。另外，Stratix器件也支持DDR2和DDR3 SDRAM及RLDRAM等多種類型的外部存儲(chǔ)器。

高速接口

帶有內(nèi)建高速差分接口(如LVDS、RSDS、mini-LVDS和PPDS)的FPGA可直接連接到平板LCD或等離子顯示器。典型的平板顯示器通常會(huì)聯(lián)合運(yùn)用可編程器件和ASSP在把圖像提供給顯示器之前進(jìn)行視頻質(zhì)量增強(qiáng)。

圖5顯示了一個(gè)用FPGA實(shí)現(xiàn)視頻處理和顯示屏接口的完整LCD模塊。除了差分接口之外，高端FPGA還帶有其它高速串行接口收發(fā)器。對(duì)于專業(yè)視頻應(yīng)用，串行接口可以是SDI、ASI、PCI Express或Serial Rapid IO。

圖5：使用Cyclone III FPGA的典型LCD模塊。

設(shè)計(jì)工具

Quartus II軟件等設(shè)計(jì)入門工具是完成高密度和低成本FPGA設(shè)計(jì)的最快和最高效途徑。它提供了時(shí)序分析、功率分析、增量編譯、用于IO分配的引腳規(guī)劃器和TcL腳本接口。DSP Builder等專用視頻處理工具則可以進(jìn)一步提高用戶的設(shè)計(jì)效率。DSP Builder是一種數(shù)字信號(hào)處理開發(fā)工具，它在設(shè)計(jì)入門工具Quartus II和MathWorks公司的MATLAB/Simulink之間架起了連接橋梁。

本文小結(jié)

從低成本系列(如Cyclone)到高端Stratix系列的可編程邏輯器件可用于實(shí)現(xiàn)各類音視頻產(chǎn)品。內(nèi)建的DSP和存儲(chǔ)器模塊提供了完成這些任務(wù)所需要的基本單元。Quartus II、SOPC Builder和DSP Builder等用戶友好的設(shè)計(jì)工具大大提高了工程設(shè)計(jì)的效率。圖6給出了FPGA的一個(gè)數(shù)字電視應(yīng)用，其中的FPGA包含有嵌入式處理器、存儲(chǔ)器接口、視頻圖像處理、圖像縮放以及用于平板顯示器(FPD)的屏顯(OSD)和時(shí)序控制器(TCON)功能。

圖6：典型的數(shù)字電視框圖。