利用Zynq SoC簡化4K電視開發(fā)

賽靈思All Programmable技術(shù)堪稱4K視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的福音。相關(guān)工具、IP和參考設(shè)計(jì)將為FPGA設(shè)計(jì)新手助一臂之力。

超高清(UHD)電視因其分辨率等級同時也被稱為4K電視。這種電視已經(jīng)廣泛推出，而且事實(shí)證明，4K技術(shù)比3D電視更受消費(fèi)者青睞。但是，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)卻落后于4K電視的增長趨勢。美國電影電視工程師協(xié)會(SMPTE)支持4K60視頻的6 Gbps和12 Gbps SDI標(biāo)準(zhǔn)才剛剛發(fā)布;支持相同分辨率的HDMI™ 2.0和DisplayPort接口尚處于應(yīng)用的早期階段。由于4K UHD電視的消費(fèi)需求巨大，許多專案標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)蜂擁而來，勢圖填補(bǔ)這一空白。

事實(shí)上，有關(guān)4K UHD電視的很多部分正處于不斷變化的狀態(tài)，因此系統(tǒng)一定要有足夠的靈活性來適應(yīng)發(fā)展中的標(biāo)準(zhǔn)。確保這種靈活性的方法是將在此類設(shè)計(jì)中使用已久的傳統(tǒng)芯片組和ASSP替換為FPGA和All Programmable片上系統(tǒng)，例如賽靈思Zynq®-7000 All Programmable SoC。這種解決方案不僅可提供所需的靈活性，同時還能實(shí)現(xiàn)與ASIC相媲美的性能水平。

同時，最新FPGA和SoC的尺寸和性能也存在相當(dāng)大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，尤其對于不是特別擅長FPGA的工程師來說更為如此。硬件設(shè)計(jì)與FPGA實(shí)現(xiàn)方案之間雖有很多相似之處，但是基于FPGA的系統(tǒng)通常要涉及更多的組件。此外，固件設(shè)計(jì)中固有的靈活性也增加了更多復(fù)雜性。

幸運(yùn)的是，賽靈思為4K電視設(shè)計(jì)人員提供了很多幫助，與從頭開始設(shè)計(jì)系統(tǒng)相比能節(jié)省大量時間和金錢成本。不過在具體介紹如何在4K領(lǐng)域應(yīng)用FPGA技術(shù)之前，我們首先看一看4K系統(tǒng)如何如此快速地變得如此受歡迎，以及任何4K系統(tǒng)都必須要解決的問題。

4K的優(yōu)缺點(diǎn)

自電視問世以來，業(yè)界一直在通過增大分辨率、幀率或圖像動態(tài)范圍(即所能達(dá)到的亮度)持續(xù)改進(jìn)畫質(zhì)，實(shí)現(xiàn)更大、更好、更快速的視頻，讓圖像更逼真。當(dāng)然，還包括實(shí)現(xiàn)真正的3D效果，至少更有一種身臨其境的感覺。

增大分辨率可以使圖像更精致，而且在更大屏幕上顯示時不會讓像素紋理變得明顯。更大的屏幕有更強(qiáng)的沉浸式感受。這些改進(jìn)很容易得到消費(fèi)者認(rèn)可，因此也就愿意在這方面花錢。通過增大幀率(更流暢的動作)或動態(tài)范圍(光線更亮，黑色更暗)實(shí)現(xiàn)的改善效果雖然很出色，但到目前為止在吸引消費(fèi)者注意力方面所起到的效果相比之下并不明顯。

最新4K UHD電視像素是此前廣受歡迎的高清標(biāo)準(zhǔn)的四倍。對消費(fèi)者來說最重要的一點(diǎn)是利用4K技術(shù)升級到更大尺寸電視，可以享受更好的沉浸式效果，而且不會對圖像質(zhì)量產(chǎn)生任何明顯影響。

然而，在開發(fā)支持4K視頻的系統(tǒng)時面臨著諸多固有技術(shù)挑戰(zhàn)。首先，高達(dá)60Hz幀率下提供的3,840 x 2,160像素的幀尺寸相當(dāng)于600MHz的像素率。因此，需要使用非常高性能的系統(tǒng)對其進(jìn)行實(shí)時處理。其次，針對4K定義了不同傳輸配置，所有配置都涉及多個數(shù)據(jù)流，有些在相同線纜上以多路復(fù)用方式傳輸，有些在不同線纜上傳輸，另外還出現(xiàn)很多不同傳輸技術(shù)，包括：4x3G;6G-SDI和12G-SDI;HDMI 1.4和2.0，DisplayPort 1.2，以及V-by-One HS。

設(shè)計(jì)人員面臨的另一個問題是任何系統(tǒng)不僅需要處理4K標(biāo)準(zhǔn)，而且還要處理當(dāng)前使用的很多或全部視頻標(biāo)準(zhǔn)(包括SD)。此外，系統(tǒng)必須支持不同標(biāo)準(zhǔn)之間的轉(zhuǎn)換，會遇到很多相關(guān)問題：上/下/交叉轉(zhuǎn)換、不匹配的色彩空間、顏色校正、隔行掃描與去隔行掃描以及Cadence 處理。另一個復(fù)雜問題是在完成上轉(zhuǎn)換后通常需要緊接著使用所謂“超分辨率”增強(qiáng)技術(shù)來抵消不可避免的圖像平滑問題。

其它處理還包括降噪、裁剪和調(diào)整大小，這些都需要實(shí)時完成。有些系統(tǒng)可能還需要處理高帶寬數(shù)字內(nèi)容保護(hù) (HDCP)。

此外，如果想要確定廣播傳輸?shù)馁|(zhì)量還需要生成適當(dāng)?shù)难蹐D和抖動顯示圖，但相應(yīng)技術(shù)在高比特率下越來越難以實(shí)現(xiàn)。 第一層輔助：4K IP核

設(shè)計(jì)任何系統(tǒng)時的第一步都是找到可運(yùn)用到設(shè)計(jì)中的現(xiàn)成模塊。在FPGA領(lǐng)域，等同于構(gòu)建塊就是可內(nèi)置到PCB設(shè)計(jì)中的各種芯片，即IP核。因此，第一步要確定您的4K UHD設(shè)計(jì)中可以使用什么IP核。

OmniTek對于各種類型的視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言都是很好的IP核供貨源。該公司是賽靈思聯(lián)盟計(jì)劃的認(rèn)證成員，起初作為專門從事自主開發(fā)測試測量系統(tǒng)的開發(fā)商，具有豐富的視頻處理經(jīng)驗(yàn)。這些系統(tǒng)需要專用硬件，因此也就需要開發(fā)專用的固件模塊。固件模塊現(xiàn)在也以IP核的形式提供。OmniTek在推出最新測試測量系統(tǒng)(即新的Ultra 4K Tool Box)之后，就開發(fā)出多種支持4K技術(shù)的IP核，現(xiàn)已向第三方開發(fā)商供貨。

有兩種內(nèi)核對4K系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說尤其有用，它們就是OmniTek的OSVP v2可擴(kuò)展視頻處理器(OSVP v2 Scalable Video Processor)和多通道流媒體DMA控制器(Multi-Channel Streaming DMA Controller)。這兩種內(nèi)核均采用ARM® AMBA® AXI4系統(tǒng)互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，都可用于賽靈思7系列FPGA和Zynq SoC。

OSVP v2的功能包括：六軸色彩校正;運(yùn)動及邊緣自適應(yīng)去隔行(包含3:2和2:2 Film Cadence檢測與處理);可通過圖像銳化和平滑調(diào)整大小和進(jìn)行裁剪;以及降噪聲等。圖1給出了該內(nèi)核的方框圖。您可以在編譯時間對所包含的處理功能的選項(xiàng)進(jìn)行配置，同時，由OSVP v2內(nèi)核所執(zhí)行的處理工作的更詳細(xì)內(nèi)容可在運(yùn)行時間內(nèi)或這從軟件中設(shè)置。

OSVP v2內(nèi)核是套件中的一部分。該套件還包含用來合并多個視頻流的合并器;用來產(chǎn)生隔行格式輸出的隔行掃描器;專用交叉點(diǎn);以及用來在4:4:4、4:2:2和4:2:0 YCbCr之間轉(zhuǎn)換的色度重采樣。(單個色度重采樣能夠從4:4:4轉(zhuǎn)換至4:2:2，從4:2:2轉(zhuǎn)換至4:2:0，從4:2:2轉(zhuǎn)換至4:4:4，或從4:2:0轉(zhuǎn)換至4:2:2。)

單個OSVP v2內(nèi)核能處理多個視頻通道。但這會受到實(shí)現(xiàn)內(nèi)核所用的FPGA或SoC能提供的資源，以及可用SDRAM帶寬的限制。例如，您可對采用Kintex®-7 XC7K325T FPGA實(shí)現(xiàn)的OSVP內(nèi)核進(jìn)行配置以支持八個輸入，處理采用八種不同HD視頻標(biāo)準(zhǔn)或八種色彩空間的視頻。同時，您可對輸出模塊進(jìn)行配置以提供16個漸進(jìn)HD輸出。此外，您還可以讓輸出模塊提供單個4K通道，或者四通道組，以便共同提供Square Division(“quad”) 或雙像素采樣交錯格式組成的4K視頻。

設(shè)計(jì)復(fù)雜4K系統(tǒng)時的另一個挑戰(zhàn)是對處理視頻時所需的眾多高帶寬存儲器訪問進(jìn)行管理。有時候，所需的視頻操作功能與視頻處理模塊一起提供。例如，OSVP v2內(nèi)核包含一個多端口視頻DMA模塊，

該模塊提供一個用來操作視頻輸入和輸出的高效引擎。

然而通過PCI Express®采集和播放單通道或多通道4K60視頻，需要一個DMA控制器，用于優(yōu)化處理PCIe®接口傳輸?shù)牧魇綌?shù)據(jù)。OmniTek的多通道流式DMA控制器有兩項(xiàng)功能在這里很有用。首先是基于FIFO的DMA (FDMA)，這樣就無需將數(shù)據(jù)從存儲器轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出。第二個是一系列的設(shè)計(jì)優(yōu)化，使得控制器可以高效利用PCIe帶寬，例如預(yù)取分散/聚集模式描述符，以及背靠背TLP數(shù)據(jù)包打包。

OmniTek針對4K UHD視頻處理開發(fā)了另一個IP核，可以將雙采樣交錯格式組成的4K視頻分解成不同數(shù)據(jù)流。另外，對基本MIG SDRAM控制器進(jìn)行了替換，從而進(jìn)一步提高了UHD電視視頻應(yīng)用的性能。

可編程優(yōu)勢

賽靈思對基于FPGA和SoC的4K視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員從三方面做了進(jìn)一步支持。

第一大優(yōu)勢在于Zynq SoC，其為高性能視頻或圖像處理提供了強(qiáng)大的軟硬件組合處理能力。Zynq SoC在單個器件中集成了功能豐富的雙核ARM Cortex™-A9處理系統(tǒng)以及7系列(28nm) FPGA可編程邏輯。用戶既可在ARM處理器上運(yùn)行處理算法，也可在需要加速時將處理任務(wù)轉(zhuǎn)給FPGA硬件，實(shí)現(xiàn)實(shí)時運(yùn)行。

Kintex-7 FPGA和Zynq SoC的可編程邏輯提供的300MHz可持續(xù)視頻處理速度，結(jié)合1,600 Mbps的64位DDR3存儲器性能，對于操作4K視頻處理和4K幀緩沖非常重要。Zynq SoC中具備豐富DSP功能的可編程邏輯架構(gòu)為DSP設(shè)計(jì)人員提供了一個用以實(shí)現(xiàn)信號處理算法的高度靈活的平臺，同時，處理器與可編程邏輯之間的緊密耦合有助于開發(fā)跨越兩個領(lǐng)域的編解碼算法。以Zynq SoC作為設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)可以將組件集成到單個器件中，而無需使用多個ASSP，因此能夠節(jié)省功耗和成本。

賽靈思還為4K視頻系統(tǒng)開發(fā)提供強(qiáng)大的連接支持，包括FPGA和SoC中的多個內(nèi)置收發(fā)器，以及眾多自己開發(fā)的連接IP。例如，Zynq 7045 SoC 提供多達(dá)16個12.5Gbps收發(fā)器，并符合12G-SDI、6-GbpsHDMI 2.0、5.4-Gbps DisplayPort 1.2以及10-Gbps以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

賽靈思所做的第三個重要貢獻(xiàn)是與Vivado®設(shè)計(jì)套件有關(guān)的IP Integrator (IPI)工具。如圖2所示，有了IPI工具，連接IP模塊的任務(wù)就變得類似于在印刷電路板上連接芯片。符合AMBA AXI4互連協(xié)議(賽靈思已經(jīng)采用為接口標(biāo)準(zhǔn))的IP塊接口處理將相當(dāng)簡單(如連接OmniTek OSVP和DMA模塊)。

賽靈思最新UltraScale™ (16-nm/20-nm)技術(shù)的推出還將提供更強(qiáng)大的功能。該技術(shù)支持的時鐘速度高達(dá)數(shù)百Gb/s，并被稱為“ASIC級”。

(如需了解更多信息，敬請?jiān)L問：china.xilinx.com/products/technology/ultrascale. html)。UltraScale架構(gòu)不僅支持4K視頻系統(tǒng)的開發(fā)，還將支持更高的8K系統(tǒng)。

可供修改的現(xiàn)成系統(tǒng)

盡管IP核所提供的構(gòu)建塊在簡化視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)建方面發(fā)揮了很大作用，然而，如果對現(xiàn)成的系統(tǒng)進(jìn)行修改，則能獲得更高起點(diǎn)。較長時間以來，賽靈思一直提供包含賽靈思視頻與連接IP以及來自O(shè)mniTek的IP模塊的實(shí)時視頻引擎(RTVE)參考設(shè)計(jì)。這些參考設(shè)計(jì)提供針對廣泛視頻應(yīng)用領(lǐng)域的高清晰度廣播級視頻處理功能。RTVE參考設(shè)計(jì)不僅展現(xiàn)出這些IP模塊的功能性，還能展示出方便的互操作性，因?yàn)檫@些模塊都根據(jù)AXI4互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)。

RTVE的每個新版本都會加入最新的IP模塊，以擴(kuò)展參考設(shè)計(jì)功能。最新版本RTVE 3.1增加了對4K視頻標(biāo)準(zhǔn)的支持，包括SMPTE 425-5:2014、DisplayPort 1.2、6G-SDI和12G-SDI。圖3給出了該設(shè)計(jì)的方框圖。

RTVE 3.1設(shè)計(jì)增加了以上介紹的OmniTek內(nèi)核，以及OmniTek隔行掃描器、合并器和專用交叉點(diǎn)，以及賽靈思的一些關(guān)鍵組件。它還提供API和應(yīng)用，從而可通過從基于網(wǎng)絡(luò)的接口驅(qū)動RTVE引擎。RTVE 3.1參考設(shè)計(jì)固件和應(yīng)用軟件都以源文件的形式提供給客戶，既可用來演示如何使用這些工具設(shè)計(jì)系統(tǒng)，也可作為開發(fā)類似系統(tǒng)的起點(diǎn)。

另外，還為客戶提供RTVE 3.1的硬件平臺。該平臺包含OmniTek OZ745開發(fā)套件(基于賽靈思Zynq 7045 SoC)和FMC擴(kuò)展卡。FMC增加了符合DisplayPort 1.2標(biāo)準(zhǔn)的輸入和輸出端口，以及兩個SD/HD/3G/6G-SDI輸入和輸出。憑借這些I/O端口可將所支持的視頻標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擴(kuò)展，包括6G 4K和12G 4K;3G等級A和3G等級B Square Division/ Quad 4K;以及3G等級A和3G等級B雙采樣交錯4K。

OmniTek的Ultra 4K Tool Box(圖4)能夠證明這些組件緊密結(jié)合加在一起能夠構(gòu)建出可行的商用系統(tǒng)。該4K Tool Box在基本架構(gòu)中包含了Omni- Tek的OZ745開發(fā)套件、FMC卡以及RTVE 3.1的固件及相關(guān)應(yīng)用軟件。該4K Tool Box不僅提供對所有視頻標(biāo)準(zhǔn)(最高4K60)的上/下和交叉轉(zhuǎn)換以及相關(guān)圖像校正功能，而且提供多種顯示功能，包括為構(gòu)成4K圖像的所有數(shù)據(jù)流生成的眼圖和抖動視圖、色域視圖和像素?cái)?shù)據(jù)顯示。

Ultra 4K Tool Box是市場上的新產(chǎn)品，但已吸引所有4K處理領(lǐng)域中的廣大客戶購買，例如芯片組制造、測試測量以及廣播領(lǐng)域的客戶。這表明整個視頻行業(yè)對最新4K標(biāo)準(zhǔn)的興趣所在。

終極輔助

除了這些工具和IP以外，OmniTek還提供咨詢服務(wù)，以幫助客戶建立和運(yùn)行4K設(shè)計(jì)。賽靈思的領(lǐng)先芯片技術(shù)和軟件工具，與OmniTek在視頻處理和制造方面的專業(yè)知識的強(qiáng)強(qiáng)結(jié)合意味著視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以在完整開發(fā)框架的基礎(chǔ)上著手進(jìn)行設(shè)計(jì)，并獲得超過預(yù)期的更簡便的集成功能和更強(qiáng)有力的支持。其結(jié)果就是可以將創(chuàng)新的高競爭力產(chǎn)品更加快速地推向市場。