許多市場(chǎng)領(lǐng)域（包括視頻廣播、軍事、醫(yī)學(xué)影像、基站）都得益于使用高密度FIFO器件方案的使用，其具有可編程的特點(diǎn)。并且比SDRAM + FPGA的體系結(jié)構(gòu)可以顯著節(jié)省成本和改進(jìn)視頻質(zhì)量，使用系統(tǒng)級(jí)編程，可以使高密度FIFO設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，成本更低。
在這篇文章中，我們將首先介紹幾個(gè)視頻應(yīng)用，了解其數(shù)據(jù)路徑及需要處理的數(shù)據(jù)性質(zhì)。下一步，我們將盡力估計(jì)在視頻處理通道中操作數(shù)據(jù)的復(fù)雜性。然后會(huì)介紹可編程高密度FIFO和其能力，以及它如何能更有效率的替代當(dāng)前傳統(tǒng)的使用SDRAM和FPGA實(shí)現(xiàn)幀緩存的方案。
視頻應(yīng)用概述：
圖1顯示了IPTV的系統(tǒng)框圖。輸入傳輸流可以是任何編碼形式如DVB -ASI，MPEG2或SDI，他們通過(guò)用多格式解碼器（multi-format CODEC）傳輸，轉(zhuǎn)換成（即解碼或重解碼）成H.264傳輸流。經(jīng)編碼的傳輸流用通道信息封裝并通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送。在接收路徑，到來(lái)的傳輸流在顯示之前要進(jìn)行解碼和后處理，例如降噪、顏色增強(qiáng)，縮放，去隔行等。
圖2顯示了一個(gè)用于電影制作和攝影棚的HD（高清）專業(yè)相機(jī)的系統(tǒng)框圖。捕獲到的圖像經(jīng)過(guò)一個(gè)圖像處理器，進(jìn)行色彩處理、亮度提高、數(shù)碼縮放、幀速率轉(zhuǎn)變等等。圖像處理單元通常使用一個(gè)基于FPGA的設(shè)計(jì)，由于大部分的圖像處理是專有的，會(huì)經(jīng)常發(fā)生變化。應(yīng)用處理器管理與其它設(shè)備的通訊以及壓縮并存儲(chǔ)捕獲到的內(nèi)容到海量存儲(chǔ)（HDD）。應(yīng)用處理器也有一個(gè)圖形引擎來(lái)進(jìn)行屏幕顯示（OSD），它和進(jìn)來(lái)的視頻混合后顯示?！ ?img alt="" src="http://files.chinaaet.com/images/20110715/c7ee3662-2c76-473b-959d-d773f988a5df.jpg" />
從上述例子中，我們可以看到數(shù)據(jù)處理包括兩種類型：
1） 幀同步： 在一些任務(wù)中需要幀同步（例如，通過(guò)以太網(wǎng)傳輸和接收時(shí)，當(dāng)碼流速度不斷變化而解碼器需要一個(gè)恒速的傳輸流）。雖然存儲(chǔ)器對(duì)同步的要求似乎很小，但當(dāng)涉及到多個(gè)碼流時(shí)它可能很顯著。這種同步可以由一個(gè)異步FIFO實(shí)現(xiàn)。
2） 幀存儲(chǔ)： 幀存儲(chǔ)在這些地方需要：任何暫時(shí)的處理如幀率轉(zhuǎn)換，數(shù)碼變焦（縮放），或執(zhí)行去隔行。儲(chǔ)存的幀數(shù)量隨著需要的臨時(shí)信息數(shù)目增加而增加。當(dāng)視頻數(shù)據(jù)按照本來(lái)的順序時(shí)，幀緩存也必須是“先進(jìn)先出”。
通過(guò)上面的討論，我們可以說(shuō)，所有的儲(chǔ)存和同步都可以使用FIFO實(shí)現(xiàn)。那么理想的FIFO應(yīng)該是多大的呢？一個(gè)典型的1080p 幀，10位 4:2：2格式將需要存儲(chǔ)器大小為39.55M位（每行像素?cái)?shù)*每幀行數(shù)*每像素比特?cái)?shù)= 1920*1080*20）。預(yù)計(jì)總?cè)萘靠梢酝ㄟ^(guò)需要存儲(chǔ)的幀數(shù)乘以這個(gè)數(shù)字。典型的視頻處理算法需要存儲(chǔ)2到3幀，這意味著總?cè)萘恳_(dá)到120M位。由于不可能有如此大的基于片上SRAM的FIFO存儲(chǔ)器，一般的方法是使用一個(gè)DRAM來(lái)緩存這個(gè)數(shù)據(jù)。
高密度FIFO -傳統(tǒng)的實(shí)施和及其復(fù)雜性。
幀緩存就是高密度FIFO，傳統(tǒng)上使用外部DDR SDRAM實(shí)現(xiàn)。舉例說(shuō)明一個(gè)典型的視頻處理應(yīng)用和這些FIFO如何實(shí)現(xiàn)。
圖3顯示了一個(gè)典型情況的數(shù)據(jù)路徑，有4種不同來(lái)源的視頻流需要顯示在同一個(gè)顯示器上。四個(gè)以1080p60（24位RGB）分辨率捕捉視頻的高清相機(jī)使用一個(gè)cameralink接口連接到系統(tǒng)上。色彩空間轉(zhuǎn)換 （從RGB到Y(jié)CbCr）及色度采樣降低（從4:4：4到4:2：2）后，橫向和縱向幀按比例減少，并儲(chǔ)存在DDR2 SDRAM里。存儲(chǔ)的幀可以按要求讀回和定位，結(jié)果幀和融合幀然后提高采樣速度和色彩空間轉(zhuǎn)換為通過(guò)LVDS連接來(lái)驅(qū)動(dòng)面板。
讓我們看看存儲(chǔ)器大小和帶寬要求：
（i） 大小要求：
盡管這里沒(méi)有涉及到時(shí)間處理，為了避免一個(gè)源的兩幀被分開(kāi)儲(chǔ)存，這樣當(dāng)一幀正在寫時(shí)，另一個(gè)幀可能要讀回來(lái)。兩幀圖像的大小是（（1920 * 1080 * 16）/ 4）* 2 ~ = 63.3M位。
?。╥i）帶寬要求：
由于讀和寫路徑為復(fù)用的，所需帶寬是讀、寫路徑帶寬之和。
寫路徑頻率=（每個(gè)客戶端頻率）*（ 客戶端數(shù)量）=（148.5/4 ）* 4 = 148.5MHz
讀路徑頻率=輸出幀分辨率頻率= 148.5MHz。
實(shí)際的工作頻率為（ （讀頻率+寫頻率） / 2 +其它開(kāi)銷），因?yàn)榻涌诠ぷ髟陔p數(shù)據(jù)速率，并且還有一些其它開(kāi)銷，如DRAM存儲(chǔ)器刷新周期、bank地址切換等等。假設(shè)為80%的效率，那么將在185MHz的頻率運(yùn)行。
（iii）內(nèi)存接口大小和I / O需求：
當(dāng)畫(huà)面以16位4:2：2格式存儲(chǔ)時(shí)，一個(gè)16位接口就足夠了。根據(jù)計(jì)算，F(xiàn)PGA 的I/O總數(shù)的為46：
時(shí)鐘引腳（2個(gè)用于差分時(shí)鐘，1個(gè)用于時(shí)鐘使能）= 3引腳
命令引腳（片選，RAS， CAS， WE）= 4引腳
地址引腳（14個(gè)地址線、3個(gè) bank地址線）= 17引腳
數(shù)據(jù)線（X16接口）= 16引腳
數(shù)據(jù)選通及分離（4個(gè)引腳用于2微分DQS，2個(gè)用于分離數(shù)據(jù)）= 6引腳
高密度FIFO -離散的存儲(chǔ)器：
現(xiàn)在讓我們看看使用離散可編程高密度FIFO的實(shí)現(xiàn)方式和特性定義，這樣DDR2 SDRAM存儲(chǔ)器就可以由簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)便可以由簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)代替。
（i）多隊(duì)列特點(diǎn)：
如果FIFO存儲(chǔ)器定義為一個(gè)單一塊的內(nèi)存，那么寫多個(gè)視頻流是不可能的。因此，F(xiàn)IFO必須能夠配置并分成多個(gè)隊(duì)列。在上文的例子中，有四種不同的畫(huà)面要寫，并且四個(gè)幀必須同時(shí)從不同的隊(duì)列同時(shí)。因此，我們的應(yīng)用需要至少八個(gè)隊(duì)列。
?。╥i）分離和重傳：
有可能從一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的FIFO曾經(jīng)讀過(guò)的數(shù)據(jù)又從FIFO丟失了。FIFO指針可以重新編程，允許任何幀都可以根據(jù)需求多次讀出。
圖4顯示了賽普拉斯CYFX072VXXX HD-FIFO的框圖。
圖5給出了使用賽普拉斯HDFIFO替代DDR2芯片的應(yīng)用案例。
讓我們?cè)賮?lái)看看存儲(chǔ)器大小和帶寬要求：
（i） 大小要求：
存儲(chǔ)器大小和DDR2 SDRAM的相同，為兩幀圖像的大小（（1920 * 1080 * 16）/ 4）* 2 ~ = 63.3M位。
?。╥i）帶寬要求：
由于讀和寫路徑是分立的，讀、寫的工作頻率可以不同。這相對(duì)于DDR2 SDRAM來(lái)說(shuō)有很大的優(yōu)勢(shì)。
寫路徑頻率=（每個(gè)客戶端頻率）*（ 客戶端數(shù)量）=（148.5/4 ）* 4 = 148.5MHz
讀路徑頻率=輸出幀分辨率頻率= 148.5MHz。
實(shí)際的工作頻率對(duì)于讀和寫來(lái)說(shuō)為單一的數(shù)據(jù)頻率148.5MHz，這里沒(méi)有額外的開(kāi)銷，如DRAM存儲(chǔ)器刷新周期和bank地址切換。
?。╥ii）內(nèi)存接口大小和I / O需求：
當(dāng)畫(huà)面以16位4:2：2格式存儲(chǔ)時(shí)，一個(gè)16位接口就足夠了。根據(jù)計(jì)算，F(xiàn)PGA 的I/O總數(shù)的為48：
時(shí)鐘引腳（1個(gè)用于寫時(shí)鐘，1個(gè)用于讀時(shí)鐘）= 2引腳
命令引腳（寫使能，讀使能，輸入使能，輸出使能，3個(gè)引腳用于選擇哪8個(gè)隊(duì)列寫，3個(gè)引腳用于選擇哪8個(gè)隊(duì)列讀，1個(gè)引腳用于分離，1個(gè)引腳用于傳輸）= 12引腳
數(shù)據(jù)引腳（16個(gè)引腳用于寫數(shù)據(jù)，16個(gè)引腳用于讀數(shù)據(jù)）= 32引腳
標(biāo)志（1個(gè)引腳用于空標(biāo)志，1個(gè)引腳用于滿標(biāo)志）= 2引腳
離散HD-FIFO相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)：
結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：
（i） 由于讀和寫路徑是分開(kāi)的，沒(méi)有其它操作開(kāi)銷，操作頻率可以降低一半以上，這些都是很顯著的優(yōu)勢(shì)。
（ii）由于使用的是SDRAM控制器，不需要仲裁機(jī)制，F(xiàn)PGA內(nèi)部邏輯變得更簡(jiǎn)單。
?。╥） 信號(hào)開(kāi)關(guān)頻率降低一半以上，允許增加建立時(shí)間余量，相對(duì)于DDR2來(lái)說(shuō)沒(méi)有嚴(yán)格的輸出同步要求。
（iv） 設(shè)計(jì)里時(shí)鐘域的數(shù)量減少了，因此降低了相關(guān)時(shí)序切換和交叉時(shí)鐘域的問(wèn)題。
電氣優(yōu)點(diǎn)：
?。╥）減少了信號(hào)切換頻率，從而減少了線路板上的開(kāi)關(guān)噪聲。
?。╥i） HD-FIFO 的IO邏輯可以是任何LVCMOS接口，相對(duì)于DDR2 SDRAM的SSTL2邏輯有更大的噪聲冗余。
節(jié)省成本：
在高端FPGA的解決方案中使用HD FIFO可以節(jié)省 FPGA資源，具體如下：
?。╥） SDRAM控制器，降低了所需的存儲(chǔ)器，I/O，和邏輯
?。╥i）視頻處理功能，這些功能可以采用多隊(duì)列特征在HD FIFO上實(shí)現(xiàn)，如：
a. 視頻信號(hào)的隔行/去隔行
b. PIP實(shí)施
c. 交叉信號(hào)處理
使用高密度FIFO可以節(jié)省邏輯元件，寄存器，內(nèi)存和I / O，可以幫助開(kāi)發(fā)人員把高端FPGA換為更小的FPGA，從而可以節(jié)省20 ~ 30%的成本。
Figure6．有無(wú)高密度FIFO系統(tǒng)框圖比較。
高密度FIFO基于SRAM技術(shù)，為客戶提供了高數(shù)據(jù)可靠性和低延遲性。簡(jiǎn)單易用的總線接口可以減少實(shí)施和調(diào)試工作。高密度FIFO密度可以達(dá)到144 Mb，速度可以到150 MHz，具備segment特色，還有很多增值功能，如多隊(duì)列和可選的存儲(chǔ)器架構(gòu)，可以幫助開(kāi)發(fā)人員設(shè)計(jì)更快、更有效率，從而使其適應(yīng)廣泛的應(yīng)用。它已經(jīng)是一個(gè)成熟的解決方案，可以加速推向市場(chǎng)的時(shí)間，同時(shí)減少相關(guān)設(shè)計(jì)工作。該器件還可提供很寬的擴(kuò)展選擇，可以適應(yīng)視頻廣播，軍事，醫(yī)學(xué)影像，基站（網(wǎng)絡(luò)）設(shè)備，滿足很多應(yīng)用，如：
普通高清格式幀緩存 （720p ，1080i ，1080p）： 存儲(chǔ)四個(gè)1080p分辨率的幀
HDTV/SDTV幀同步
交換或格式轉(zhuǎn)換器盒子
高端數(shù)碼攝像機(jī)
軍事雷達(dá)中高密度緩存
醫(yī)學(xué)成像
基站--3G，4G及網(wǎng)絡(luò)