AXI4-Stream Video 協(xié)議和AXI_VDMA的IP核介紹

本文主要介紹關(guān)于AXI4-Stream Video 協(xié)議和AXI_VDMA的IP核相關(guān)內(nèi)容。為后文完成使用帶有HDMI接口的顯示器構(gòu)建圖像視頻顯示的測試工程做準(zhǔn)備。

AXI4-Stream Video 協(xié)議

接口定義

對于使用AXI4-Stream Video 協(xié)議的IP，對于接口的功能會進行拓展或者裁剪。下表列出了作為從機時，輸入的接口信號名稱和相關(guān)信息。

下表列出了作為主機時，輸出的接口信號名稱和相關(guān)信息。

這里的SOF 是用于指示起始幀的傳輸信號，SOF實際上是在AXI4-Stream的USER信號上進行傳輸?shù)?；EOL用于指示一行數(shù)據(jù)傳輸完成。EOL實際上是在AXI4-Stream的TLAST信號上進行傳輸?shù)?，用于指示一行幀?shù)據(jù)的傳輸完成。在這個協(xié)議中沒有行場同步的信號，所以使用SOF和EOL用于進行同步視頻數(shù)據(jù)信息。TKEEP and TSTRB 這兩個信號在使用AXI4-Stream視頻協(xié)議的IP時不使用。當(dāng)連接到需要TKEEP或TSTRB分配的IP時，可以使用默認值TKEEP=1和TSTRB = 1。TID and TDEST 在使用AXI4-Stream視頻協(xié)議的IP中不使用TID和TDEST，使用默認值TID=0和TDEST=0。TUSER TUSER的第0位（TUSER［0］）標(biāo)記幀的開始。是唯一用于視頻的AXI4-Stream信號。

AXI4-Stream Video協(xié)議時序

READY、VALID、ACLKEN和ARESETn信號，在ACLK上升沿時發(fā)生有效傳輸。在有效傳輸過程中，DATA只攜帶有效的視頻數(shù)據(jù)。握手機制和AXI DMA的握手機制相同。都是通過在在ACLK上升沿時，拉高VALID、READY，進行有效的數(shù)據(jù)傳輸。下面給出使用握手機制信號進行一個起始幀的傳輸。在時序圖中，在時鐘上升沿，并且VALID、READY、SOF都為高電平時候表示有效數(shù)據(jù)傳輸。

下面給出利用握手機制信號使用EOL信號進行幀傳輸?shù)睦印Ｔ跁r序圖中，在時鐘上升沿，并且VALID、READY、SOF都為高電平時候表示有效數(shù)據(jù)傳輸表示幀數(shù)據(jù)的起始。在Pn-1也就是一行數(shù)據(jù)的最后一個進行傳輸時，EOL信號拉高，和LAST信號相同。當(dāng)完成一幀傳輸?shù)淖詈笠粋€數(shù)據(jù)傳輸后，在下次傳輸時，SOF信號將會再次拉高，指示下一幀的第一個信號的傳輸。

AXI_VDMA IP

簡介

AXI VDMA IP提供了高帶寬內(nèi)存和內(nèi)存之間的直接訪問數(shù)據(jù)流視頻類型的目標(biāo)外設(shè)，包括支持AXI4-Stream video協(xié)議的外設(shè)。這里提到的AXI4-Stream video協(xié)議在視頻IP核直接提供了一個簡單、多功能、高性能、點對點的通信接口。也可以理解為AXI4-Stream 數(shù)據(jù)的一個子集。下圖展示了AXI VDMA IP的框圖：

AXI VDMA提供了系統(tǒng)內(nèi)存和AXI4-Stream類型目標(biāo)外設(shè)之間的高性能直接內(nèi)存訪問。AXI VDMA還提供分散收集（SG）功能，允許CPU將傳輸控制和執(zhí)行轉(zhuǎn)移到硬件自動化。

AXI_VDMA提供了以下的功能：

循環(huán)幀緩存區(qū)訪問最多32幀緩存，并提供工具來傳輸視頻幀的一部分或完整的視頻幀。

當(dāng)前幀等待能力，允許相同的視頻幀數(shù)據(jù)重復(fù)傳輸。

獨立的幀同步和獨立的AXI時鐘，允許每個頻道在不同的幀速率和不同的像素速率上運行。為了維持兩個獨立功能的AXI VDMA通道之間的同步，有一個可選的Gen-Lock同步特性。Gen-Lock提供了一種將AXI VDMA從機自動同步到一個或多個AXI VDMA主機的方法，因此從機不像主機在相同的視頻幀緩沖空間中操作。在這種模式下，從通道自動跳過或重復(fù)幀。您可以將任一通道配置為Gen-Lock slave或Gen-Lock master。

對于視頻數(shù)據(jù)傳輸，AXI4-Stream端口可以配置從8位到1024位寬（8的倍數(shù)）。對于AXI4- stream端口比相關(guān)的AXI4內(nèi)存映射端口窄的配置，AXI VDMA會在內(nèi)存映射端升級或縮小提供全總線寬度突發(fā)的數(shù)據(jù)。它還支持異步操作模式，其中所有時鐘都是異步處理的。

VDMA 用于將 AXI Stream 格式的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為 Memory Map 格式或?qū)?Memory Map 格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 AXI Stream 數(shù)據(jù)流， 也就是說 VDMA 內(nèi)核旨在提供從 AXI4 域到 AXI4-Stream 域的視頻讀/寫傳輸功能，反之亦然，從而實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)存（主要指 DDR3） 和基于 AXI4-Stream 的目標(biāo)視頻 IP 之間的高速數(shù)據(jù)移動。VDMA 的框圖如下圖所示：

AXI4-Lite 可以對寄存器進行編程（配置），從而實現(xiàn)軟件動態(tài)配置 VDMA 的功能。通過 AXI4-Lite 接口對寄存器進行編程后，控制/狀態(tài)邏輯塊會為 DataMover 生成適當(dāng)?shù)拿?，以?AXI4 主接口上啟動寫入和讀取命令?？膳渲玫漠惒?line buffer 用于在將像素數(shù)據(jù)寫入 AXI4-Memory Map 接口或 AXI4-Stream 接口之前臨時保存像素數(shù)據(jù)。VDMA 數(shù)據(jù)接口可以分為讀、寫兩個通道，且寫入和讀取獨立運行。用戶可以通過寫通道將 AXI-Stream類型的數(shù)據(jù)流寫入系統(tǒng)存儲器（主要指 DDR3） 。在讀通道中， VDMA 使用 AXI4 主接口從系統(tǒng)存儲器讀取數(shù)據(jù)并在 AXI4-Stream 主接口上輸出。可以看到， VDMA 本質(zhì)上是一個數(shù)據(jù)搬運的 IP， 可以看作是為視頻圖像處理做特殊優(yōu)化的帶有幀緩沖功能的高性能 DMA， 為數(shù)據(jù)進出系統(tǒng)存儲器提供了一種便捷的方案。

幀緩存

許多視頻應(yīng)用程序需要幀緩存來處理幀速率的變化或圖像尺寸的變化（縮放或裁剪）。幀緩存存儲器（ Frame Buffer），簡稱幀緩存，也常被稱作顯存，是為顯示設(shè)備（如 HDMI 顯示器等）提供數(shù)據(jù)緩存的一片存儲區(qū)域。一般圖像輸入源和圖像顯示的傳輸速率不匹配（如圖像輸入源傳輸速度較快或者圖像顯示端傳輸速度較快），這個時候需要一片存儲區(qū)域來緩存輸入的數(shù)據(jù)，以便顯示設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，同時也方便后續(xù)對視頻數(shù)據(jù)做圖像處理。幀緩存的每一個存儲單元對應(yīng)屏幕上的一個像素，整個幀緩存對應(yīng)一幀圖像。比如視頻輸入的設(shè)備是30幀的數(shù)據(jù)，而經(jīng)過視頻處理后實現(xiàn)了60幀的視頻數(shù)據(jù)顯示，這時候VDMA的幀緩存功能，就可以進行動態(tài)處理幀速度的變化。

VDMA AXI4 接口

在這里插入圖片描述

讀寫時序

讀時序

下面給出VDMA在讀取數(shù)據(jù)時的時序圖，并進行簡單的分析，對于接口信號大致可以分為兩組，一組是存儲器映射接口，進行數(shù)據(jù)傳輸，另外一組是stream接口，將讀取到的數(shù)據(jù)在line buffer里進行緩存。下圖時序的大致傳輸過程為：

SOF拉高使能，進行幀同步。

握手信號進行握手并傳輸視頻數(shù)據(jù)。

EOL信號拉高表示一行數(shù)據(jù)傳輸完成，這里L(fēng)AST信號被拉高5次，也就是傳輸了一幀圖像的五行。

傳輸完成的數(shù)據(jù)移動到line buffer緩存區(qū)，然后通過stream接口發(fā)送輸出。

寫時序

下面給出VDMA在寫入數(shù)據(jù)時的時序圖，并進行簡單的分析，這里的流程和讀取的過程剛好相反。下圖時序的大致傳輸過程為：

SOF拉高使能，進行幀同步。

握手信號進行握手并寫入視頻數(shù)據(jù)。

EOL信號拉高表示一行數(shù)據(jù)傳輸完成，這里L(fēng)AST信號被拉高5次，也就是傳輸了一幀圖像的五行。

這里寫入的數(shù)據(jù)是寫完先緩存在line buffer中，然后再經(jīng)過stream流數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯ζ饔成涞拇鎯卧小?/p>

Reference

正點原子ZYNQ開發(fā)視頻教程

UG585

UG1037

PG020

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