1. 介紹

Video In to AXI4-Stream IP核用于將視頻源(帶有同步信號(hào)的時(shí)鐘并行視頻數(shù)據(jù)，即同步sync或消隱blank信號(hào)或者而后者皆有)轉(zhuǎn)換成AXI4-Stream接口形式，實(shí)現(xiàn)了接口轉(zhuǎn)換。該IP還可使用VTC核，VTC在視頻輸入和視頻處理之間起橋梁作用。

2. 功能

接收視頻信號(hào)的輸入;

AXI-Stream主接口 (輸出);

提供輸出接口給VTC做視頻時(shí)序檢測(cè);

支持在視頻與AXI4-Stream時(shí)鐘域之間的同步時(shí)鐘模式和異步時(shí)鐘模式;

可選的FIFO深度：32-8192

輸入數(shù)據(jù)位寬：8-256bit

支持隔行掃描操作.

8，10，12，16bit的組件位寬轉(zhuǎn)換

Xilinx提供的許多視頻處理核之間，都是利用AXI4-Stream視頻流協(xié)議進(jìn)行視頻的傳輸?shù)?，也就是說(shuō)其輸入和輸出都是AXI4-Stream接口(Slaver/Master)。

在系統(tǒng)之間，通常使用用于水平和垂直定時(shí)的顯式消隱(Blank)和同步信號(hào)(sync)以及數(shù)據(jù)有效信號(hào)(valid)來(lái)傳輸視頻。 數(shù)字視覺(jué)接口(DVI)是這種傳輸模式的一個(gè)示例。 Video In to AXI4-Stream核將具有顯式同步和定時(shí)的傳入視頻轉(zhuǎn)換為AXI4-Stream Video協(xié)議，以與使用該協(xié)議的Xilinx視頻處理IP核互聯(lián)。

Video In to AXI4-Stream核心接受視頻輸入。 對(duì)于本文檔，視頻被定義為具有像素時(shí)鐘和以下一組定時(shí)信號(hào)之一的并行視頻數(shù)據(jù)：

? Vsync, Hsync, and Data Valid

? Vblank, Hblank, and Data Valid

? Vsync, Hsync, Vbank, Hblank, and Data Valid

同步信號(hào)和消隱信號(hào)二者需其一即可，二者皆有也沒(méi)問(wèn)題。三組信號(hào)任一組信號(hào)都能夠?qū)崿F(xiàn)將Video In轉(zhuǎn)換為AXI4-Stream。特定的選擇對(duì)于視頻時(shí)序控制器(VTC)檢測(cè)器很重要，因此在需要生成VTC內(nèi)核時(shí)應(yīng)指定一組時(shí)序信號(hào)。IP核輸出端是主模式下的AXI4-Stream接口。

該接口由并行視頻數(shù)據(jù) tdata，握手信號(hào)tvalid和tready以及兩個(gè)標(biāo)志tlast和tuser組成，它們被用于標(biāo)識(shí)視頻流中的某些特定像素。

tlast：指定每行的最后一個(gè)有效像素，也稱(chēng)為行尾(EOL)。

tuser：指定幀的第一個(gè)有效像素，稱(chēng)為幀開(kāi)始(SOF)。

這兩個(gè)標(biāo)志信號(hào)對(duì)于標(biāo)識(shí)AXI4流總線(xiàn)上的像素位置是必需的，因?yàn)锳XI4-Strem形式下已然不再有同步或消隱信號(hào)?？偩€(xiàn)上只會(huì)搬運(yùn)有效像素。

Video In to AXI4-Stream內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

該IP核旨在與VTC的檢測(cè)器功能并行使用。 通過(guò)AXI4-Lite接口，視頻時(shí)序檢測(cè)器檢測(cè)輸入進(jìn)來(lái)的視頻的行標(biāo)準(zhǔn)，并確定檢測(cè)到的時(shí)序值 (例如每一行的有效像素的個(gè)數(shù)，以及可用于Video In to AXI4-Stream IP核下游的視頻處理IP核的有效行數(shù))。

建議將視頻定時(shí)檢測(cè)器的“鎖定”狀態(tài)輸出連接到Video In to AXI4-Stream核心的axis_enable輸入，以在視頻輸入丟失或不穩(wěn)定時(shí)禁止AXI4-Stream總線(xiàn)。 視頻定時(shí)控制器的檢測(cè)器鎖定指示符是INTC_if寄存器的第8位。

Video In to AXI4-Stream核處理視頻時(shí)鐘域和AXI4-Stream時(shí)鐘域之間的異步時(shí)鐘邊界。 數(shù)據(jù)寬度可以從8到256之間選擇，具體取決于視頻格式所需的組件數(shù)量，每個(gè)組件的位數(shù)和每個(gè)時(shí)鐘的像素?cái)?shù)量。 支持隔行操作。 有一個(gè)輸入FIFO，深度在32到8192個(gè)位置之間可選。

3. 具體應(yīng)用

該IP 核可以完成對(duì)以下Video數(shù)據(jù)源進(jìn)行到AXI4-Stream的接口轉(zhuǎn)換：

具體應(yīng)用時(shí)，未必一定是視頻數(shù)據(jù)，只要是能夠按照視頻標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序給出數(shù)據(jù)源，那么該IP就能夠完成格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成AXI4-Stream。視頻數(shù)據(jù)完成格式轉(zhuǎn)換是由于Xilinx 提供的Video IP的接口都是基于視頻數(shù)據(jù)的AXI4-Stream，即以數(shù)據(jù)流形式向下游高速傳輸。

4. 性能

最大頻率

本節(jié)包含目標(biāo)設(shè)備的典型時(shí)鐘頻率。 可達(dá)到的最大時(shí)鐘頻率可能會(huì)有所不同。 使用其他版本的Xilinx工具以及其他因素，其他工具選項(xiàng)，FPGA器件中的附加邏輯會(huì)影響最大可達(dá)到的時(shí)鐘頻率和所有資源計(jì)數(shù)。

Latency

當(dāng)AXI4-Stream總線(xiàn)上的下游處理模塊可以以 像素速率 或 更快的速率獲 取數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)Video In to AXI4-Stream IP核的典型延遲為vid_io_in_clk的6個(gè)周期+ aclk的3個(gè)周期。

如果下游塊以較低的速率獲取像素，則FIFO會(huì)被用于在行和幀的過(guò)程中平衡輸入和輸出速率的不匹配。 像素在FIFO中的這種存儲(chǔ)會(huì)增加了等待時(shí)間，并根據(jù)進(jìn)出IP核的數(shù)據(jù)流而變化。

Throughput

AXI4-Stream接口上有效像素的平均數(shù)據(jù)速率與視頻總線(xiàn)上有效像素的平均數(shù)據(jù)速率匹配。 但是，輸入和輸出的時(shí)鐘速率不需要匹配。 由于A(yíng)XI4-Stream總線(xiàn)不攜帶消隱像素，因此時(shí)鐘速率可以低于視頻時(shí)鐘速率，并且仍具有足夠的帶寬以滿(mǎn)足平均速率要求。 需要額外的FIFO深度來(lái)消除瞬時(shí)速率的失配。 輸入視頻像素時(shí)鐘(Fvclk)和AXI4-stream時(shí)鐘(Faclk)受整體Fmax限制。

FIFO深度要求

(1)若Faclk =或>Fvclk:

即AXI4-Stream時(shí)鐘大于視頻像素時(shí)鐘，則僅需要最小緩沖區(qū)大小(32個(gè)位置)。這假設(shè)連接到Video In to AXI4-Stream IP核下 游的IP核可以在全視頻速率接收數(shù)據(jù)。例如，下游IP核可以接受幾乎連續(xù)的流中的數(shù)據(jù)，其中間隙僅在EOL之后出現(xiàn)，并且每行僅在SOF之前連續(xù)出現(xiàn)行間隙。在這種情況下，F(xiàn)IFO在每行的EOL之后清空。

(2)若Faclk

Faclk小于Fvclk 時(shí)，需要額外的緩沖。 FIFO必須足夠大，以處理視頻時(shí)鐘上像素進(jìn)入速率的差異，以及使用aclk在A(yíng)XI4-Stream總線(xiàn)上輸出像素的速率較慢。對(duì)于高于線(xiàn)路平均值但低于vclk的aclk頻率，輸入FIFO深度必須為：

FIFO深度最小值= 32 +有效像素* Fvclk / Faclk

如果下游處理核心以比aclk更低的速率接收數(shù)據(jù)，則需要額外的緩沖，其數(shù)量應(yīng)足以防止FIFO在幀傳輸期間溢出。

5. 接口

Video In to AXI4-Stream IP核使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 控制和數(shù)據(jù)接口 連接到其他系統(tǒng)組件。 以下各節(jié)描述了內(nèi)核可用的各種接口。 圖2-1說(shuō)明了視頻輸入到AXI4-Stream核的I / O圖。 該核并不需要所有的時(shí)序信號(hào)，但是它也會(huì)將這些信號(hào)傳遞給Xilinx視頻時(shí)序控制器(VTC)，該控制器根據(jù)其配置可能需要某些信號(hào)。 因此，所有定時(shí)信號(hào)都存在。 對(duì)于Video In to AXI4 Stream核，始終需要有效的數(shù)據(jù)。 另外，需要垂直同步或垂直消隱輸入。

Video In to AXI4-Stream Core Top-Level Signaling Interface

Common Interface

信號(hào)方向?qū)挾让枋?/p>

aclkInput1AXI4-Stream時(shí)鐘

aclkenInput1AXI4-Stream時(shí)鐘使能信號(hào)，高有效

aresetnInput1AXI4-StreamARESETN。 低電平有效。 與ACLK同步。

axis_enableInput1此輸入應(yīng)連接到VTC檢測(cè)器鎖定狀態(tài)，并與vid_io_in_clk同步。

1 =使能寫(xiě)入FIFO

0 =禁止寫(xiě)入FIFO

fidOutput1AXI4-Stream總線(xiàn)的字段ID。 僅用于隔行視頻：0 =偶數(shù)場(chǎng)，1 =奇數(shù)場(chǎng)。 該位的更改與AXI4-Stream總線(xiàn)上的SOF一致。 應(yīng)該將其連接到下一個(gè)具有現(xiàn)場(chǎng)感知能力的下游設(shè)備的field-ID位，否則應(yīng)保持未連接狀態(tài)。 與aclk同步。

vid_io_in_clkInput1本地視頻時(shí)鐘。 僅在獨(dú)立時(shí)鐘模式下可用。

vid_io_in_ceInput1本地視頻時(shí)鐘使能

vid_io_in_resetInput1本地視頻時(shí)鐘域的復(fù)位信號(hào)。 與vid_io_in_clk同步。 僅在獨(dú)立時(shí)鐘模式下可用。 高有效。

overflowOutput1指示FIFO上溢出的標(biāo)志。 與vid_io_in_clk同步。 如果發(fā)生溢出，則可能表明所連接的AXI4-Stream從模塊正在產(chǎn)生過(guò)多的背壓(back-pressure)。

underflowOutput1指示FIFO下溢出的標(biāo)志。 在正常操作下絕對(duì)不應(yīng)發(fā)生這種情況。 與aclk同步。

ACLK

AXI4-Stream輸出信號(hào)與時(shí)鐘信號(hào)ACLK同步。 AXI4-Stream信號(hào)在A(yíng)CLK的上升沿采樣。 AXI4-Stream輸出信號(hào)的變化在A(yíng)CLK的上升沿之后發(fā)生。

ACLKEN

ACLKEN引腳是與AXI4-Stream接口有關(guān)的高電平有效，同步時(shí)鐘使能輸入。 盡管ACLK引腳上有上升沿，但將ACLKEN設(shè)置為低電平(無(wú)效)會(huì)停止AXI4-Stream總線(xiàn)的運(yùn)行。 保持內(nèi)部狀態(tài)，并保持輸出信號(hào)電平，直到再次確認(rèn)ACLKEN。 當(dāng)ACLKEN被置為無(wú)效時(shí)，除ARESETn取代ACLKEN之外，不對(duì)核心AXI4-Stream輸入進(jìn)行采樣。

Video Clock

視頻輸入接口和視頻定時(shí)接口必須與vid_io_in_clk同步

Video Clock Enable

輸入信號(hào)vid_io_in_ce控制視頻時(shí)鐘域中所有寄存器的時(shí)鐘使能。 當(dāng)視頻時(shí)鐘域的時(shí)鐘頻率高于視頻時(shí)序標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，通常會(huì)使用此信號(hào)。

Video Reset

僅當(dāng)內(nèi)核配置為獨(dú)立時(shí)鐘模式時(shí)，視頻復(fù)位信號(hào)vid_io_in_reset信號(hào)才可用。 此高電平有效信號(hào)與vid_io_in_clk同步，用于重置橋的輸入端。 斷言此復(fù)位即vid_io_in_reset或aresetn將導(dǎo)致內(nèi)部FIFO復(fù)位。

Video Timing Interface

信號(hào)方向?qū)挾让枋?/p>

vtd_vsyncOut1垂直同步視頻定時(shí)信號(hào)(場(chǎng)同步)。

vtd_hsyncOut1水平同步視頻定時(shí)信號(hào)(行同步)。

vtd_vblankOut1場(chǎng)消隱

vtd_hblankOut1行消隱

vtd_active_videoOut1Active video flag.

1 = active video, 0 = blanked video

vtd_field_idOut1VTC字段ID。 0 =偶數(shù)場(chǎng)，1 =奇數(shù)場(chǎng)。

AXI4-Stream Interface

m_axis_video_tvalidOutput1AXI4-Stream TVALID。 有效視頻數(shù)據(jù)啟用

m_axis_video_tdataOutput1AXI4-Stream TDATA. 視頻數(shù)據(jù)

m_axis_video_tuserOutput1AXI4-Stream TUSER. 幀開(kāi)始

m_axis_video_tlastOutput1AXI4-Stream TLAST. 行結(jié)束

m_axis_video_treadyInput1AXI4-Stream TREADY. 從模塊準(zhǔn)備好

Video Data

AXI4-Stream接口規(guī)范將TDATA寬度限制為8位的整數(shù)倍。 因此，如果視頻數(shù)據(jù)寬度不是8的整數(shù)倍，則在連接到m_axis_video_tdata之前，必須在MSB上用零填充數(shù)據(jù)以形成N * 8位寬的向量。 填充不會(huì)影響IP核的大小。

類(lèi)似地，Video In to AXI4-Streamd的輸出信號(hào)m_axis_video_tdata的數(shù)據(jù)將 打包并根據(jù)需要填充為8位的倍數(shù) 。 圖2-2給出了一個(gè)示例，該示例針對(duì)每個(gè)時(shí)鐘一個(gè)像素的12位RGB數(shù)據(jù)。

對(duì)于每個(gè)時(shí)鐘多個(gè)像素，根據(jù)需要將像素打包成8位的倍數(shù)。 圖<新圖>顯示了每個(gè)時(shí)鐘三個(gè)像素，每個(gè)分量RGB數(shù)據(jù)12位的示例。 盡管這是預(yù)期的打包，但內(nèi)核本身不會(huì)解析數(shù)據(jù)。 換句話(huà)說(shuō)，AXI4-Stream輸出將是視頻輸入，填充為8位的倍數(shù)。

該 橋接器還可以針對(duì)寬度的任何組合(包括8位，10位，12位和16位)執(zhí)行從輸入到輸出的組件寬度轉(zhuǎn)換。 圖2-4所示的示例說(shuō)明了將分量寬度從AXI4-Stream輸入上的12位微調(diào)為Video輸出上的8位。 修剪每個(gè)組件的四個(gè)LSB，并將其余數(shù)據(jù)打包到輸出視頻總線(xiàn)上。

圖2-5中的示例說(shuō)明了將組件寬度從AXI4-Stream上的8位填充到Video輸出上的12位的情況。 每個(gè)組件的輸出上的四個(gè)LSB填充為零，高M(jìn)SB從AXI4-Stream輸入映射到總線(xiàn)。

READY/VALID Handshake

只要READY，VALID，ACLKEN和ARESETn 在A(yíng)CLK的上升沿為高電平，就會(huì)發(fā)生有效的傳輸。 在有效傳輸期間，DATA僅傳輸有效視頻數(shù)據(jù)。 消隱時(shí)段和輔助數(shù)據(jù)包不會(huì)通過(guò)AXI4-Stream Video協(xié)議進(jìn)行傳輸。

Driving m_axis_video_tready

m_axis_video_tready信號(hào)可以在Video in to AXI4-StreamIP斷言m_axis_video_tvalid的周期之前，期間或之后斷言(即Ready相對(duì)于tvalid信號(hào)沒(méi)有限制)。 m_axis_video_tready的斷言可能取決于m_axis_video_tvalid的值。 能夠立即接受通過(guò)m_axis_video_tvalid限定的數(shù)據(jù)的從站應(yīng)預(yù)先聲明其m_axis_video_tready信號(hào)，直到接收到數(shù)據(jù)為止。 或者，可以注冊(cè)m_axis_video_tready并在VALID聲明后驅(qū)動(dòng)周期。 建議AXI4-Stream從站獨(dú)立驅(qū)動(dòng)READY，或預(yù)先聲明READY以最大程度地減少延遲。

SOF - m_axis_video_tuser

通過(guò)AXI4-Stream 接口中的tuser信號(hào)物理傳輸?shù)腟OF信號(hào)，標(biāo)記了視頻幀的第一個(gè)像素。 SOF脈沖為1個(gè)有效事務(wù)寬度，并且必須與幀的第一個(gè)像素重合。 SOF用作幀同步信號(hào)，允許下游IP核重新初始化并檢測(cè)幀的第一個(gè)像素。 只要tvalid沒(méi)有置位，就可以在第一個(gè)像素值出現(xiàn)在tdata之前，斷言SOF信號(hào)的任意數(shù)量的aclk周期。

EOL Signal - m_axis_video_tlast

通過(guò)AXI4-Stream接口中的 tlast信號(hào) 物理傳輸?shù)腅OL信號(hào)，來(lái)標(biāo)記一行的最后一個(gè)像素。 EOL脈沖為1個(gè)有效事務(wù)寬度，并且必須與掃描線(xiàn)的最后一個(gè)像素重合，如圖2-6所示。

6. IP的使用

General Design Guidelines

Video In to AXI4 Stream IP核的video輸入端口應(yīng)連接到輸入視頻源，比如DVI接口芯片可產(chǎn)生并行視頻數(shù)據(jù)和定時(shí)信號(hào)。該IP核并并不需要所有的時(shí)序信號(hào)，但是，Video In to AXI4 Stream IP核將這些信號(hào)傳遞給Xilinx視頻時(shí)序控制器VTC，根據(jù)其配置，Xilinx視頻時(shí)序控制器可能需要某些時(shí)序信號(hào)。使用VTC檢測(cè)器所需的一組定時(shí)信號(hào)。對(duì)于Video In to AXI4 StreamIP核，始終需要數(shù)據(jù)有效信號(hào)。另外，需要垂直同步或垂直消隱輸入。

Video In to AXI4 Stream IP核的主要輸出是主AXI4-Stream總線(xiàn)，該總線(xiàn)連接到下游視頻處理模塊，如圖3-1所示。主接口和從接口共享一個(gè)公共時(shí)鐘，復(fù)位和時(shí)鐘使能。

如圖3-1所示，Video In to AXI4-Stream IP核通常與Video Timing Controller結(jié)合使用，后者可檢測(cè)下游處理模塊使用的視頻時(shí)序參數(shù)。

時(shí)鐘

Video In to AXI4 Stream IP核使用兩種時(shí)鐘模式，即通用(同步)或獨(dú)立(異步)。當(dāng)網(wǎng)橋的本地和AXI4-Stream端從公共同步時(shí)鐘運(yùn)行時(shí)，將使用公共時(shí)鐘模式。通用時(shí)鐘模式禁用了內(nèi)部FIFO中的時(shí)鐘域交叉邏輯，因此節(jié)省了資源。當(dāng)橋接器要求橋接器的本機(jī)端和AXI4-Stream端具有異步和獨(dú)立時(shí)鐘時(shí)，將使用獨(dú)立時(shí)鐘模式。

視頻輸入時(shí)鐘與輸入上使用的視頻線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)應(yīng)。它是視頻線(xiàn)路標(biāo)準(zhǔn)的一部分，由Video In至AXI4-Stream內(nèi)核以及用于檢測(cè)視頻時(shí)序的相應(yīng)Video Timing Controller內(nèi)核使用。

AXI4-Stream時(shí)鐘(aclk)是AXI4-Stream總線(xiàn)的一部分。為了最大程度地減少緩沖要求，該時(shí)鐘的頻率應(yīng)等于或高于視頻輸入時(shí)鐘的頻率。該時(shí)鐘可能比視頻輸入時(shí)鐘慢，在這種情況下，需要額外的緩沖來(lái)存儲(chǔ)像素，以便可以以視頻時(shí)鐘的突發(fā)速率輸入行。在“緩沖區(qū)要求”部分中對(duì)此進(jìn)行了討論。至少，聲壓頻率必須高于平均像素速率。

7. IP配置

?Component Name：組件名稱(chēng)用作為模塊生成的輸出文件的基本名稱(chēng)。 名稱(chēng)必須以字母開(kāi)頭，并且必須由字符組成：a到z，0到9和“ _”。

?Pixels Per Clock ：指定要并行輸出的像素?cái)?shù)。 此參數(shù)影響輸入和輸出的數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度。 每個(gè)時(shí)鐘的像素選項(xiàng)為1、2或4。

?Input Component Width: 指定輸入視頻數(shù)據(jù)總線(xiàn)上的視頻位寬度。

?Output Component Width：指定輸出AXI4-Stream TDATA總線(xiàn)上的視頻分量位寬度。

?Clock Mode ：時(shí)鐘模式用于指定AXI4-Stream輸出和視頻輸入信號(hào)是使用公共時(shí)鐘還是獨(dú)立時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)鐘控制。

Video Format : 指定使用的視頻格式。 選擇不同的格式將確定使用的組件數(shù)量。，比如RGB數(shù)據(jù)格式一個(gè)像素將需要3個(gè)。

組件數(shù)量(1-4)*Pixels per clock*組件寬度=視頻數(shù)據(jù)總線(xiàn)的寬度v_data。

依次將該寬度四舍五入為最接近的8倍，以確定AXI4-Stream數(shù)據(jù)總線(xiàn)的寬度m_axis_video_tdata。 例如，如果組件寬度為14(像素寬度)，每個(gè)時(shí)鐘像素為2，視頻格式為RGB(3個(gè)組件)，則vid_data為84位寬，m_axis_video_tdata為88位。 使用IP Integrator時(shí)，此參數(shù)是根據(jù)連接到從屬AXI-Stream視頻接口的視頻IP內(nèi)核的視頻格式自動(dòng)計(jì)算的。

?FIFO深度：指定輸入FIFO中的位置數(shù)。 FIFO深度的選項(xiàng)為32、1024、2048、4096和8192。