利用可編程邏輯實現(xiàn)靈活高效的多媒體信號處理

可編程嵌入式處理器

大部分多媒體產品不僅需要進行信號處理，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。對于從最小的消費產品到最大的專業(yè)視頻產品的各類多媒體系統(tǒng)，基于FPGA的嵌入式處理器(如Nios II)向設計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。至今有眾多供應商提供了數百種型號的處理器，其外圍設備、存儲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)，進而提升系統(tǒng)的性能或把軟件應用分成更簡單的任務?？梢葬槍ψ畲笙到y(tǒng)性能或最小邏輯使用率對Nios II內核進行優(yōu)化，或者在系統(tǒng)性能和邏輯使用率之間取得平衡。該內核可以方便地通過配置實現(xiàn)乘法器、用戶設定的高速緩存、定制指令、硬件調試邏輯等特性以適應特殊的性能需求。

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

圖4：NIOS II嵌入式處理器的典型系統(tǒng)應用。

嵌入式存儲器和外部存儲器接口

存儲器是所有視頻處理應用(如視頻壓縮編碼、2D濾波和縮放)都需要的關鍵構建模塊之一?，F(xiàn)在，由于FPGA提供了眾多的內部專用存儲器模塊，因此一個FPGA就可以實現(xiàn)完整的多媒體系統(tǒng)。這些內部存儲器模塊包括RAM、ROM、FIFO、雙端口存儲器和移位寄存器。大多數系統(tǒng)通常需要使用存儲器來滿足各種復雜功能(如通訊、數字信號處理、電子數據處理和控制應用)所需要的不同存儲需求。

Stratix器件中包含的TriMatrix存儲器架構提供了多種不同的存儲器結構，可以實現(xiàn)復雜設計中的各種存儲器功能。在存儲器帶寬不夠充裕時，設計師可以使用較小的M512 RAM模塊實現(xiàn)先入先出(FIFO)和時鐘域緩存功能。M-RAM模塊可以使FPGA滿足大型緩存應用(如知識產權包緩存和系統(tǒng)高速緩存)的需求。M4K模塊非常適合為消費多媒體應用(如數字電視視頻增強)提供中等規(guī)模的存儲器應用。另外，Stratix器件也支持DDR2和DDR3 SDRAM及RLDRAM等多種類型的外部存儲器。

高速接口

帶有內建高速差分接口(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聯(lián)合運用可編程器件和ASSP在把圖像提供給顯示器之前進行視頻質量增強。

圖5顯示了一個用FPGA實現(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。對于專業(yè)視頻應用，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。

設計工具

Quartus II軟件等設計入門工具是完成高密度和低成本FPGA設計的最快和最高效途徑。它提供了時序分析、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一步提高用戶的設計效率。DSP Builder是一種數字信號處理開發(fā)工具，它在設計入門工具Quartus II和MathWorks公司的MATLAB/Simulink之間架起了連接橋梁。

本文小結

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現(xiàn)各類音視頻產品。內建的DSP和存儲器模塊提供了完成這些任務所需要的基本單元。Quartus II、SOPC Builder和DSP Builder等用戶友好的設計工具大大提高了工程設計的效率。圖6給出了FPGA的一個數字電視應用，其中的FPGA包含有嵌入式處理器、存儲器接口、視頻圖像處理、圖像縮放以及用于平板顯示器(FPD)的屏顯(OSD)和時序控制器(TCON)功能。

圖6：典型的數字電視框圖。