鄭建立，漆榮輝，張　璐

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

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基于AXI4-Stream總線的數(shù)字視頻接口IP核設(shè)計(jì)

鄭建立，漆榮輝，張璐

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

針對數(shù)字視頻IP核間高速流數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于AXI4-Stream總線的數(shù)字視頻接口IP核，對外部輸入ITU601格式的數(shù)字視頻信號，將其格式轉(zhuǎn)化為符合AXI4-Stream總線協(xié)議的信號，并通過IP核的主端口輸出到下一級IP核的從端口。采用XilinxISEDesignSuite14.6軟件綜合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，結(jié)合ISE自帶ISim軟件完成功能仿真，通過實(shí)際硬件電路驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性及可行性。

AXI4-Stream；數(shù)字視頻信號；IP核

在SOC系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，高級微控制器總線結(jié)構(gòu)(AdvancedMicrocontrollerBusArchitecture，AMBA)被廣泛采用，已經(jīng)迅速成為SOC結(jié)構(gòu)和IP核開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)[1]。AXI4、AXI4-Lite、AXI4-Stream這3種總線標(biāo)準(zhǔn)是AMBA第4版的重要組成部分。AXI4總線有助于最大化性能和能效；AXI4-Lite總線和AXI4-Stream總線是FPGA實(shí)現(xiàn)的理想選擇。AMBA4.0總線是標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范，由多家企業(yè)共同為行業(yè)而設(shè)定，包括業(yè)界領(lǐng)先的OEM廠商、半導(dǎo)體及EDA供應(yīng)商等[2]，可確保不同IP核的兼容，加快SOC設(shè)計(jì)效率。

本文在深入分析和研究AXI4-Stream總線協(xié)議的基礎(chǔ)上，通過VHDL硬件描述語言實(shí)現(xiàn)了對ITU601格式的數(shù)字視頻輸入信號轉(zhuǎn)化為符合AXI4-Stream協(xié)議的視頻輸出信號，并通過ISim軟件仿真及在基于XilinxZynq7000芯片設(shè)計(jì)的內(nèi)窺鏡視頻處理系統(tǒng)電路上得到驗(yàn)證。

1　AX I4-Stream總線協(xié)議

AXI4-Stream總線是以突發(fā)傳輸為機(jī)制并沒有突發(fā)長度限制的總線[3]?？偩€采用握手機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，沒有地址通道，沒有讀寫使能，一般情況均是寫數(shù)據(jù)從主設(shè)備到從設(shè)備的傳輸。AXI4-Stream總線接口協(xié)議主要面向高速流數(shù)據(jù)傳輸，可用于連接一個(gè)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的主機(jī)和一個(gè)接受數(shù)據(jù)的從機(jī)，當(dāng)然也可用于連接多個(gè)主機(jī)和從機(jī)。該協(xié)議支持多種數(shù)據(jù)流使用相同共享總線集合，允許建立能執(zhí)行擴(kuò)展、壓縮和路由的互聯(lián)結(jié)構(gòu)[4]。

1.1AXI4-Stream 總線接口信號說明

AXI4-Stream接口支持諸多不同的流類型。流協(xié)議在傳輸和包之間定義了聯(lián)系。表1 介紹了AXI4-Stream接口的信號定義。

表1　AXI4-Stream總線信號說明

1.2AXl4-Stream總線協(xié)議信號與時(shí)序的關(guān)系

TVALID和TREADY握手信號用來確定跨越接口數(shù)據(jù)的時(shí)間。雙向流控制機(jī)制使得主設(shè)備和從設(shè)備能控制跨越接口所發(fā)送的數(shù)據(jù)和控制信息的速度。對于一個(gè)發(fā)生的傳輸，必須確認(rèn)TVALID和TREADY信號。一個(gè)主設(shè)備不允許在確認(rèn)TVALID前等待確認(rèn)TREADY。一旦確認(rèn)TVALID，必須一直保持這個(gè)狀態(tài)，直到產(chǎn)生握手信號。在確認(rèn)相應(yīng)的TREADY信號前，一個(gè)從設(shè)備允許等待確認(rèn)TVALID。如果從設(shè)備確認(rèn)了TREADY，在TVALID信號確認(rèn)前，允許不確認(rèn)TREADY[5]。

AXI4-Stream協(xié)議中的TLAST和TUSER信號在本文設(shè)計(jì)的IP核中分別以EOL和SOF表示，當(dāng)一行像素傳輸?shù)阶詈笠粋€(gè)像素時(shí)EOL信號置高電平有效，表示一行像素的結(jié)束，EOL脈沖寬度為一個(gè)時(shí)鐘周期；SOF幀起始標(biāo)志表示一幀視頻的第一個(gè)像素開始傳輸，一般當(dāng)作幀同步信號，在TVALID信號沒有置位且第一個(gè)像素沒到來之前SOF的脈寬可是任意個(gè)時(shí)鐘周期[6]。

圖1為AXl4-Stream總線協(xié)議的TREADY和TVALID握手信號及EOL、SOF標(biāo)志信號的時(shí)序關(guān)系圖，從圖中可看出，從設(shè)備在數(shù)據(jù)和控制信號有效前驅(qū)動(dòng)TREADY信號為高。表明目的設(shè)備能在一個(gè)ACLK周期內(nèi)接收數(shù)據(jù)和控制信息。在此種情況下，一旦主機(jī)確認(rèn)TVALID信號為高，則在時(shí)鐘周期ACLK的上升沿?cái)?shù)據(jù)就開始傳輸。當(dāng)一行最后一個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)傳輸時(shí)EOL信號置高一個(gè)時(shí)鐘周期，表明一行傳輸完畢。當(dāng)一幀視頻的第一個(gè)像素開始傳輸時(shí)SOF幀起始標(biāo)志位置高電平。

圖1　主從設(shè)備握手信號及傳輸波形時(shí)序圖

2　視頻接口IP核設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在充分研究了外部輸入的數(shù)字視頻格式和AXI4-Stream總線協(xié)議的基礎(chǔ)上，本文采用VHDL硬件描述語言實(shí)現(xiàn)了對外部輸入ITU601格式的數(shù)字視頻轉(zhuǎn)化為符合AXI4-Stream總線協(xié)議的視頻輸出IP核。

2.1ITU601格式數(shù)字視頻輸入

ITU60l是長寬比為16:9和4:3的數(shù)字電視信號標(biāo)準(zhǔn)，其對數(shù)字電視的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)范和描述[7]。我國通常采用4:2:2采樣格式、PAL制式、長寬比為4:3的數(shù)字電視信號[8]。本文所用到的外部輸入視頻信號正是這一格式的信號。其主要特征包括：(1)有3個(gè)正交分量：亮度分量Y、色度分量U和V；(2)25幀/s的幀率，每幀兩場，每幀掃描625行；(3)對于亮度分量Y，每行抽樣864，對于色度分量每行抽樣432次；(4)有3個(gè)信號用于同步數(shù)據(jù)分別是：行同步hsync(15 625Hz)、場同步vsync(50Hz)、像素?cái)?shù)據(jù)同步時(shí)鐘clk(13.5MHz)。包括消隱期在內(nèi)，每幀數(shù)據(jù)掃描625行，每行抽樣864個(gè)像素點(diǎn)，因此總分辨率為864×625。一幀數(shù)據(jù)又包含奇偶兩場，從上一幀的624行到本幀的310行是奇場，其中上一幀的624行到本幀的22行是奇場消隱期，從23行到310行是奇場有效行；從本幀311行到623行是偶場，其中311～335行是偶場消隱期，從336～623行為偶場有效行數(shù)據(jù)。對于幀內(nèi)的每一行，共有864個(gè)像素，其中從第0個(gè)到第719個(gè)為有效像素。共計(jì)720個(gè)點(diǎn)，從720～863個(gè)為消隱期像素。每個(gè)象素都抽取Y分量，每兩個(gè)像素則抽取一個(gè)U分量和一個(gè)V分量。

2.2ITU601 to AXI4-stream IP核設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

ITU601toAXI4-streamIPCore接口及內(nèi)部各模塊間主要信號傳遞如圖2所示，其中clk為外部輸入視頻的像素時(shí)鐘信號13.5，MHz、io_vsync為外部視頻場同步信號，io_hsync為外部輸入視頻行同步信號，io_field為外部視頻奇偶場標(biāo)志信號，io_uvid為外部輸入視頻UV信號的標(biāo)志，io_video[15:0]為輸入16位數(shù)字視頻信號，視頻數(shù)據(jù)格式為YUV422。IP核視頻輸出主接口為符合AXI4-Stream協(xié)議的總線接口M_AXIS_VIDEO，其中包括系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀寫時(shí)鐘信號aclk，在本文的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中此系統(tǒng)時(shí)鐘為150MHz，m_axis_tdata[23:0] 24位寬的視頻數(shù)據(jù)總線，m_axis_tvalid為主機(jī)數(shù)據(jù)同步信號，為高電平表示主機(jī)準(zhǔn)備好發(fā)送數(shù)據(jù)，m_axis_tlast為主機(jī)最后一個(gè)字指示，在該IP中表示視頻數(shù)據(jù)一行的結(jié)束即eol信號，m_axis_sof表示一幀視頻數(shù)據(jù)的開始，m_axis_tready為從機(jī)數(shù)據(jù)同步信號，其值為高表示從機(jī)準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)。TVALID、TREADY這兩根信號線完成了主機(jī)與從機(jī)的握手信號，一旦二者都置高有效，則數(shù)據(jù)流開始傳輸。

圖2　ITU601 to AXI4-stream IP接口及內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)

IP核內(nèi)部3個(gè)主要的模塊都采用VHDL語言設(shè)計(jì)而成。videoin模塊是一個(gè)視頻輸入接口，根據(jù)輸入視頻信號時(shí)序?qū)UV422 16位寬的信號轉(zhuǎn)化為YUV444 24位寬的視頻信號。videoformatter模塊是視頻協(xié)議轉(zhuǎn)換的核心模塊，完成視頻格式轉(zhuǎn)化，通過對輸入視頻時(shí)序分析產(chǎn)生一行結(jié)束標(biāo)志(eol)即vid_eol，幀起始標(biāo)志(sof)即vid_sof，以及主機(jī)握手信號vid_tvalid。通過該模塊后輸出的視頻數(shù)據(jù)格式就符合AXI4-stream總線協(xié)議規(guī)范。主要實(shí)現(xiàn)代碼如下

io_iregs_1:process(Clk)

begin

ifrising_Edge(Clk)then

vsync_1 <=xsvi_vsync;

vsync_2 <=vsync_1;

de_1 <=xsvi_active；

de_2 <=de_1;

de_3 <=de_2;

data_1 <=xsvi_video;

data_2 <=data_1;

data_3 <=data_2;

eol<=de_falling;

sof<=de_risingandvert_blanking_intvl;

sof_1 <=sof;

endif;

endprocess;

io_iregs_2 :process(Clk)

begin

iffalling_Edge(Clk)then

if(vsync_rising= '1')then//risingedgeofvsync

vert_blanking_intvl<=notfield; //field=1:odd0:even

elsif(de_falling= '1')then//fallingedgeofdataenable

vert_blanking_intvl<= '0';

else

vert_blanking_intvl<=vert_blanking_intvl;

endif;

endif;

endprocess;

de_rising<=notde_2andde_1; //de_rising保持一個(gè)時(shí)鐘周期高電平

de_falling<=de_2andnotde_1; //de_falling保持一個(gè)時(shí)鐘周期高電平

vsync_rising<=notvsync_2andvsync_1;

vid_data<=data_3;

vid_tvalid<=de_3;

vid_eol<=eol;

vid_sof<=sof_1;

以上VHDL代碼的兩個(gè)進(jìn)程功能是實(shí)現(xiàn)sof、eol及主機(jī)握手信號tvalid。如何正確地產(chǎn)生sof是整個(gè)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，幀起始信號sof在每幀視頻的第一個(gè)有效像素出現(xiàn)時(shí)置一個(gè)時(shí)鐘周期高電平且一幀視頻數(shù)據(jù)中sof只產(chǎn)生一次。sof由xsvi_active信號的上升沿和場同步信號xsvi_vsync共同決定。進(jìn)程io_iregs_2的功能是確保sof在奇場同步信號上升沿到第一個(gè)像素時(shí)產(chǎn)生，一幀視頻分為奇偶兩場，sof相當(dāng)于幀同步，因而只在奇數(shù)場的第一個(gè)有效像素時(shí)產(chǎn)生。eol主要是根據(jù)xsvi_active視頻數(shù)據(jù)有效信號的跳變來產(chǎn)生，當(dāng)xsvi_active為高電平時(shí)表示像素?cái)?shù)據(jù)有效，為低電平表示處于消隱區(qū)，所以一行最后一個(gè)像素點(diǎn)傳輸結(jié)束時(shí)xsvi_active會(huì)發(fā)生從高電平到低電平的跳變，在進(jìn)程io_iregs_1中de_falling正是表示xsvi_active從高到低的跳變，故將其賦值給eol。

Outputbuffer模塊是輸出接口緩存模塊，由于視頻數(shù)據(jù)輸入的時(shí)鐘是13.5MHz、輸出是150MHz，讀寫是跨時(shí)鐘域的，所以在Outputbuffer模塊中引入了一組異步FIFO控制模塊，使用異步FIFO可在兩個(gè)不同時(shí)鐘系統(tǒng)之間快速而方便地傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

3　測試與驗(yàn)證

為驗(yàn)證所實(shí)現(xiàn)的AXI4-stream接口總線時(shí)序的正確性，本文主要采用功能仿真和實(shí)際電路測試。

首先進(jìn)行功能仿真測試，功能仿真采用XilinxISEDesignTools自帶的仿真器ISimSimulator，通過VHDL語言編寫仿真測試用例，主要是用來驗(yàn)證當(dāng)外部輸入ITU601格式的視頻信號后通過視頻接口IP核，在該IP核的輸出端M_AXIS_VIDEO總線接口時(shí)序是否滿足AXI4-stream總線時(shí)序要求。圖3為ITU601toAXI4-streamIP核接口功能仿真時(shí)序圖，從圖中可看出從設(shè)備的TREADY(m_axis_tready)信號一直為高電平，等待主機(jī)端口傳送有效握手信號和數(shù)據(jù)，每當(dāng)要傳送一個(gè)像素點(diǎn)，主端口m_axis_tvalid(Tvalid)就置高電平，完成主從設(shè)備握手，在時(shí)鐘ACLK的上升沿到來時(shí)就發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)一行720個(gè)像素均傳送完畢時(shí)m_axis_tlast(Tlast)即eol置高電平，表示一行數(shù)據(jù)傳送完畢；由圖4可看到IP核輸入端視頻數(shù)據(jù)的行同步video_hsync信號，場同步信號video_vsync，在輸出端口m_axis_tuser_sof為幀起始標(biāo)志，奇數(shù)場和偶數(shù)場合并成一幀，輸入端出現(xiàn)了兩次場同步信號即奇數(shù)場和偶數(shù)場video_vsync后，輸出端出現(xiàn)一次幀起始標(biāo)志信號，表明奇數(shù)場和偶數(shù)場合成一幀。通過功能仿真可驗(yàn)證，所實(shí)現(xiàn)的IP核主接口符合AXI4-stream總線時(shí)序要求。

圖3　ITU601 to AXI4-stream 接口時(shí)序1

圖4　ITU601 to AXI4-stream 接口時(shí)序2

硬件測試平臺是一款基于XilinxZynq7000設(shè)計(jì)的醫(yī)療內(nèi)窺鏡，XilinxZynq7000 全可編程SoC(APSoC) 器件集成ARMCortex-A9MPCore處理器的軟件可編程性與FPGA的硬件可編程性，不僅可實(shí)現(xiàn)重要分析與硬件加速，同時(shí)還在單個(gè)器件上高度集成CPU、DSP、ASSP以及混合信號功能，Zynq-7000APSoC的這些特性使其在醫(yī)療內(nèi)窺鏡、機(jī)器視覺、高級駕駛員輔助系統(tǒng)、專業(yè)照相機(jī)等各種場合都得到了廣泛應(yīng)用[9]。本試驗(yàn)的醫(yī)療內(nèi)窺鏡視頻處理系統(tǒng)正是基于Zynq-7000APSOC的以上特性設(shè)計(jì)而成的。該內(nèi)窺鏡CCDcolorCamera拍攝的視頻信號經(jīng)過前期處理板后，輸出視頻數(shù)據(jù)格式為ITU601 格式的數(shù)字視頻信號，此視頻信號正是通過ITU601toAXI4-streamIP核視頻接口送入基于XilinxZynq7000SOC設(shè)計(jì)的內(nèi)窺鏡視頻處理系統(tǒng)。

XilinxChipScope工具能夠捕獲和顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)時(shí)信號的狀態(tài)[10]，在完成功能驗(yàn)證后，將配置文件下載到內(nèi)窺鏡視頻處理系統(tǒng)電路中，利用ChipScope工具可實(shí)時(shí)捕捉主端口信號并進(jìn)行時(shí)序分析，從而驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的IP核主接口輸出信號時(shí)序關(guān)系是否滿足AXI4-stream協(xié)議的規(guī)定。圖 5為利用ChipScope抓取到的IP核主接口信號波形圖，從圖中可以看出從端口Tready一直為高，等待主端口傳送有效數(shù)據(jù)，當(dāng)有效像素?cái)?shù)據(jù)要從主端口傳送至從端口時(shí)，主端口Tvalid信號就置高電平。axi_s_tuser即sof信號在每幀視頻的第一個(gè)像素位置出現(xiàn)一次，當(dāng)一行第720個(gè)像素傳送時(shí)，axi_s_tlast即eol置高電平表示一行的結(jié)束。

圖5　ITU601 to AXI4-stream IP 核主端口時(shí)序

4　結(jié)束語

AXI4-Stream總線協(xié)議作為嵌入式系統(tǒng)內(nèi)部高速流數(shù)據(jù)傳輸常用的總線協(xié)議，得到第三方EDA廠商和IP開發(fā)廠商普遍采用[11]。為滿足AXI4-Stream總線主從設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸，本文通過研究AXI4-Stream總線時(shí)序，采用VHDL語言設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)視頻協(xié)議轉(zhuǎn)換IP核，該IP核可將外部輸入的ITU601格式視頻信號轉(zhuǎn)化為符合AXI4-Stream總線協(xié)議的視頻輸出信號，方便與其他具有AXI4-Stream流接口的IP核進(jìn)行互聯(lián)。通過軟件仿真及實(shí)際硬件電路測試表明本文設(shè)計(jì)的IP核主接口符合AXI4-Stream總線時(shí)序要求，主從設(shè)備之間能正確地傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)視頻顯示清晰、實(shí)時(shí)性良好。

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Design and Implementation of Video Interface IP Core Based on AXI4-Stream Bus

ZHENGJianli,QIRonghui,ZHANGLu

(SchoolofMedicalInstrumentandFoodEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

ForthehighspeedstreamdatatransmissionbetweentheIPcoreofthedigitalvideo,wedesignandimplementaninterfaceIPcoreofthedigitalvideobasedontheAXI4-Streambus.ThedigitalvideosignalfromtheexternalinputintheITU601formatistranslatedintothesignalconformingwiththebusprotocolofAXI4-Stream,andthenexportedtotheportofthenextlevelIPcorethroughthemainportoftheIPcore.TheaccuracyandfeasibilityoftheproposeddesignhavebeenvalidatedbytheactualhardwarecircuitusingXilinxISEDesignSuite14.6.

AXI4-Stream;digitalvideosignal;IPcore

2015- 12- 21

上海市科委重點(diǎn)科技攻關(guān)基金資助項(xiàng)目(11441902302)

鄭建立(1965-)，男，博士,副教授。研究方向：醫(yī)學(xué)信息集成技術(shù)和嵌入式應(yīng)用。漆榮輝(1988-)，男，碩士研究生。研究方向：嵌入式系統(tǒng)及數(shù)字化醫(yī)療儀器。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.09.045

TN943;TP336

A

1007-7820(2016)09-161-05