在這篇文章中，我們將首先介紹幾個視頻應(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以太網(wǎng)發(fā)送。在接收路徑，到來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)過一個圖像處理器，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基于FPGA的設(shè)計(jì)，由于大部分的圖像處理是專有的，會經(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捕獲到的內(nèi)容到海量存儲(HDD)。應(yīng)用處理器也有一個圖形引擎來進(jìn)行屏幕顯示(OSD)，它和進(jìn)來的視頻混合后顯示。
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，通過以太網(wǎng)傳輸和接收時，當(dāng)碼流速度不斷變化而解碼器需要一個恒速的傳輸流)。雖然存儲器對同步的要求似乎很小，但當(dāng)涉及到多個碼流時它可能很顯著。這種同步可以由一個異步FIFO實(shí)現(xiàn)。
2) 幀存儲: 幀存儲在這些地方需要：任何暫時的處理如幀率轉(zhuǎn)換，數(shù)碼變焦(縮放)，或執(zhí)行去隔行。儲存的幀數(shù)量隨著需要的臨時信息數(shù)目增加而增加。當(dāng)視頻數(shù)據(jù)按照本來的順序時，幀緩存也必須是“先進(jìn)先出”。
通過上面的討論，我們可以說，所有的儲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?一個典型的1080p 幀，10位 4:2:2格式將需要存儲器大小為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^需要存儲的幀數(shù)乘以這個數(shù)字。典型的視頻處理算法需要存儲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存儲器，一般的方法是使用一個DRAM來緩存這個數(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)。舉例說明一個典型的視頻處理應(yīng)用和這些FIFO如何實(shí)現(xiàn)。
圖3顯示了一個典型情況的數(shù)據(jù)路徑，有4種不同來源的視頻流需要顯示在同一個顯示器上。四個以1080p60(24位RGB)分辨率捕捉視頻的高清相機(jī)使用一個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，并儲存在DDR2 SDRAM里。存儲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LVDS連接來驅(qū)動面板。
讓我們看看存儲器大小和帶寬要求:
(i) 大小要求:
盡管這里沒有涉及到時間處理，為了避免一個源的兩幀被分開儲存，這樣當(dāng)一幀正在寫時，另一個幀可能要讀回來。兩幀圖像的大小是((1920 * 1080 * 16)/ 4)* 2 ~ = 63.3M位。
(ii)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銷，如DRAM存儲器刷新周期、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)畫面以16位4:2:2格式存儲時，一個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：
時鐘引腳(2個用于差分時鐘，1個用于時鐘使能)= 3引腳
命令引腳(片選，RAS， CAS， WE)= 4引腳
地址引腳(14個地址線、3個 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個引腳用于2微分DQS，2個用于分離數(shù)據(jù))= 6引腳
高密度FIFO -離散的存儲器:
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存儲器就可以由簡單的數(shù)據(jù)存儲便可以由簡單的數(shù)據(jù)存儲代替。
(i)多隊(duì)列特點(diǎn):
如果FIFO存儲器定義為一個單一塊的內(nèi)存，那么寫多個視頻流是不可能的。因此，F(xiàn)IFO必須能夠配置并分成多個隊(duì)列。在上文的例子中，有四種不同的畫面要寫，并且四個幀必須同時從不同的隊(duì)列同時。因此，我們的應(yīng)用需要至少八個隊(duì)列。
(ii)分離和重傳:
有可能從一個標(biāo)準(zhǔn)的FIFO曾經(jīng)讀過的數(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。離散HD-FIFO相對于傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢:
結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn):
(i) 由于讀和寫路徑是分開的，沒有其它操作開銷，操作頻率可以降低一半以上，這些都是很顯著的優(yōu)勢。
(ii)由于使用的是SDRAM控制器，不需要仲裁機(jī)制，F(xiàn)PGA內(nèi)部邏輯變得更簡單。
(i) 信號開關(guān)頻率降低一半以上，允許增加建立時間余量，相對于DDR2來說沒有嚴(yán)格的輸出同步要求。
(iv) 設(shè)計(jì)里時鐘域的數(shù)量減少了，因此降低了相關(guān)時序切換和交叉時鐘域的問題。
電氣優(yōu)點(diǎn):
(i)減少了信號切換頻率，從而減少了線路板上的開關(guān)噪聲。
(ii) HD-FIFO 的IO邏輯可以是任何LVCMOS接口，相對于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：
(i) SDRAM控制器，降低了所需的存儲器，I/O，和邏輯
(ii)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. 視頻信號的隔行/去隔行
b. PIP實(shí)施
c. 交叉信號處理
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)列和可選的存儲器架構(gòu)，可以幫助開發(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)是一個成熟的解決方案，可以加速推向市場的時間，同時減少相關(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): 存儲四個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)