可編程邏輯的多媒體信號(hào)處理

　從非常簡(jiǎn)單的消費(fèi)類(lèi)音/視頻播放器到在專(zhuān)業(yè)制作環(huán)境中使用的高度復(fù)雜的音視頻捕捉、編輯和回放系統(tǒng)，多媒體設(shè)備或系統(tǒng)的應(yīng)用范圍非常廣泛。人們?cè)趯?shí)現(xiàn)這類(lèi)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)會(huì)使用特殊應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（ASSP）、專(zhuān)用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、RSIC處理器和可編程邏輯等多種類(lèi)型的技術(shù)。這些技術(shù)有各自的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和局限性。
　　可編程邏輯的好處是靈活性高，易于擴(kuò)展，可以采用可重配置技術(shù)進(jìn)行多媒體信號(hào)處理。由可編程邏輯構(gòu)成的典型模塊有乘法器、存儲(chǔ)器、協(xié)議接口和時(shí)鐘電路（如PLL）。這些模塊具有可擴(kuò)展性，能夠適應(yīng)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的各種多媒體處理系統(tǒng)。把繁重的計(jì)算工作交給FPGA協(xié)處理器，由一個(gè)DSP器件和一個(gè)FPGA（而不是多達(dá)8-10個(gè)DSP器件）構(gòu)成的FPGA高清方案具有更高的性?xún)r(jià)比。
　　視頻和嵌入式DSP模塊
　　創(chuàng)新的消費(fèi)類(lèi)需求，如1080p高清電視、多媒體家庭網(wǎng)關(guān)、高帶寬效率的機(jī)頂盒解碼器，一直在推動(dòng)視頻和圖像處理應(yīng)用快速向前發(fā)展。低成本FPGA（如Cyclone III系列）的優(yōu)點(diǎn)是能以ASIC的價(jià)格提供DSP性能、高度靈活性和更快的上市速度。Cyclone III系列中成本最低的是EP3C5器件，它擁有的嵌入式乘法器和邏輯資源足以在HDTV 1080p視頻應(yīng)用中完成實(shí)時(shí)7x7像素濾波功能。面向更高端產(chǎn)品的Stratix III FPGA中所包含的DSP模塊可以提供600MHz以上性能的18x18乘法器。Stratix III DSP模塊還能以9x9、36x36和新的12x12模式支持可變比特寬度。該DSP模塊可以為每個(gè)18x18乘法器提供兩個(gè)9x9或一個(gè)半12x12乘法器。如圖1所示，級(jí)聯(lián)模式可以把一個(gè)DSP模塊的輸入傳送到下一級(jí)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更為卓越的整體性能。Stratix III FPGA的邏輯和存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)還針對(duì)DSP應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，可以用MLAB模塊構(gòu)成抽頭延遲線(xiàn)，用ALM（自適應(yīng)邏輯模塊）中的快速3輸入加法器構(gòu)成高效快速的加法器樹(shù)。
　　
　　圖1：采用級(jí)聯(lián)模式的Stratix III DSP模塊。
　　隨著圖像捕捉、顯示器分辯率、高級(jí)壓縮技術(shù)和視頻智能方面不斷取得重大進(jìn)展，視頻應(yīng)用所要求的處理帶寬也在不斷增長(zhǎng)。而標(biāo)準(zhǔn)的快速變化和更高的分辨率也促使設(shè)計(jì)者遠(yuǎn)離現(xiàn)成技術(shù)。用可編程邏輯實(shí)現(xiàn)的模塊化可編程視頻和圖像處理方案具有性能高、靈活、升級(jí)方便、開(kāi)發(fā)成本低等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)產(chǎn)品成熟和生產(chǎn)批量攀升時(shí)，可編程邏輯還可提供轉(zhuǎn)移到更低成本的途徑。
　　FPGA內(nèi)部的嵌入式數(shù)字信號(hào)處理知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）可以作為單獨(dú)的系統(tǒng)方案，也可以與標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)處理器一起作為協(xié)處理器使用。與標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)處理器相比，F(xiàn)PGA的主要優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)建有高水平的并行處理機(jī)制，如圖2所示。而專(zhuān)用的RISC處理器無(wú)法滿(mǎn)足許多視頻和成像應(yīng)用的所有處理要求。