一種面向H．264視頻編碼器的SoC驗證平臺
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3．1 讀寫端口和讀寫仲裁器
圖2中有一個讀端口和一個寫端口，分別用于H．264編碼器讀出數(shù)據(jù)和圖像采集模塊寫入數(shù)據(jù)。其實還有一個用于VGA顯示的讀端口，其時序與圖像采集模塊的寫時序相同，都是逐行掃描，在此處略去了。
在讀＆寫仲裁器(Read＆Write Arbiter)中處理來自讀端口的讀請求和來自寫端口的寫請求。寫請求的優(yōu)先級高于讀請求的優(yōu)先級。寫端口由寫緩存器(WE_FIFO)和寫地址生成器(WE_Addr Generator)組成。WE_FIFO的深度為512字(每個字32位，存一個像素)，當(dāng)圖像采集模塊在WE_FIFO中寫夠256個字之后，就會發(fā)起一次寫請求。寫地址生成器每完成一次寫請求之后便會增加256，地址增加的順序與CMOS圖像傳感器的掃描順序相同。
讀端口由讀緩存器(RD_FIFO)、讀地址生成器(RD_Addr Generator)、讀狀態(tài)機(RD_FSM)和行計數(shù)器(Line_Cnt)組成。RD_FIFO的深度為256字，載入宏塊地址(addr_load)的命令發(fā)出后，RD_FSM就進入了工作狀態(tài)(read_stat信號為1)。同時，讀地址生成器已經(jīng)根據(jù)宏塊的水平位置(mb_num_h)和垂直位置(mb_num_v)計算出了宏塊所在SDRAM中的基地址。當(dāng)RD_FSM處于工作狀態(tài)時，讀請求一直有效，如果此時寫請求無效，就會發(fā)起一次長度為16的突發(fā)讀傳輸，從SDRAM中讀取16個像素數(shù)據(jù)到RD_FIFO。當(dāng)完成一次讀傳輸之后，讀地址生成器會自動加一行的長度(可配置，此處為800)，也就是指向當(dāng)前宏塊下一行的基地址處。與此同時，Read＆Write Arbiter模塊會檢測寫請求是否有效，如果有效則優(yōu)先發(fā)起長度為256的突發(fā)寫傳輸，等寫傳輸完成后再完成下一次長度為16的突發(fā)讀傳輸。如此，當(dāng)完成16次突發(fā)讀傳輸后，所讀宏塊的數(shù)據(jù)也就完全寫入到RD_FIFO中了，此時，RD_FSM由工作狀態(tài)轉(zhuǎn)為閑置狀態(tài)，等待下一次的宏塊讀請求。
當(dāng)RD_FIFO中的數(shù)據(jù)數(shù)量(rd_usedw)不為零時，H．264編碼器即可從RD_FIFO中讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)讀完256個數(shù)據(jù)，即一個宏塊的數(shù)據(jù)后，rd_u sedw的值變?yōu)榱?，一個宏塊數(shù)據(jù)也便讀完了。
3．2 SDRAM命令生成器和命令仲裁器
SDRAM命令生成器(Command Generator)主要作用是根據(jù)SDRAM的控制時序生成SDRAM接口處的控制命令，這些命令是有可能發(fā)生沖突的。命令仲裁器(Command Arbiter)的作用就是對命令生成器產(chǎn)生的命令進行仲裁。
SDRAM的初始化過程可分成初始化延遲、預(yù)充電、刷新、設(shè)置模式寄存器4個階段，這4個階段由一個初始化計數(shù)器(initial timer)控制。SDRAM命令生成器根據(jù)初始化計數(shù)器的值會產(chǎn)生初始化延遲(initial)命令、預(yù)充電(precharge)命令、刷新(refresh)命令和設(shè)置模式寄存器(load_mode)命令。其中，刷新(refresh)命令也可以在SDRAM的工作過程中根據(jù)刷新計數(shù)器(refresh timer)的值產(chǎn)生。這是因為SDRAM的特性要求每64 ms就要對SDRAM的所有行刷新一遍。由于此設(shè)計中SDRAM工作在自動預(yù)充電模式，所以說預(yù)充電命令也只會在初始化過程中出現(xiàn)。
命令生成器還會根據(jù)Read＆Write Arbiter傳過來的讀寫請求產(chǎn)生讀寫(read／write)命令。讀寫(read／write)命令的優(yōu)先級是最低的，當(dāng)SDRAM控制器處于初始化過程，或者正在執(zhí)行刷新命令時，命令仲裁器就會讓讀寫請求一直等待更高優(yōu)先級的命令執(zhí)行完畢。此外，由于SDRAM是工作在full-page模式，需要根據(jù)寫或讀的突發(fā)長度產(chǎn)生突發(fā)終止命令。突發(fā)終止命令根據(jù)讀計數(shù)器(write timer)和寫計數(shù)器(read timer)的值產(chǎn)生，它的優(yōu)先級低于刷新(refresh)命令，卻高于讀寫(read／write)命令。
4 SoC平臺的軟件支持
參照參考文獻，設(shè)計了DM9000A的控制端口，并在所設(shè)計的SoC平臺上移植了μC／OS-II實時操作系統(tǒng)和μC／TCP-IP協(xié)議棧。這是為了方便把H．264編碼器所生成的比特流數(shù)據(jù)傳送到PC機端作進一步驗證。
5 實驗結(jié)果
設(shè)計了一個H．264編碼器模型，它主要實現(xiàn)的功能就是模擬H．264編碼器與SDRAM控制器接口處的讀時序，從SDRAM中讀取數(shù)據(jù)。同時，它也帶有一個Wish-bone從接口，可以把讀取的數(shù)據(jù)傳送給OR1200微處理器，OR1200微處理器再經(jīng)過網(wǎng)口把圖像數(shù)據(jù)傳送到PC機，以驗證所讀取的數(shù)據(jù)是否正確。利用Wishbone總線功能模型(BFM)在ModelSim SE 6．5f環(huán)境下對所設(shè)計的模塊進行了RTL級的仿真，驗證方案框架圖如圖3所示。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/165871.htm
此外，對整個SoC系統(tǒng)選用Altera公司的Cyclone II系列FPGA EP2C70F896C6進行了綜合，并在臺灣友晶科技公司的DE2-70開發(fā)板上實現(xiàn)。整個平臺的所占用資源為：邏輯單元10 662個，寄存器4 689個，存儲器418104位。
將圖像采集模塊的時鐘設(shè)為25 MHz，SDRAM控制器的時鐘設(shè)置為100 MHz，其他各個模塊均運行在50MHz。前述方法把從SDRAM控制器中以宏塊為順序采集到的YUV圖像數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口傳輸?shù)絇C機，在PC機端YUV圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成正常的圖像順序，把Y分量以灰度位圖的格式顯示，并與VGA顯示器中所顯示的圖像(RGB通道都輸入變換后的Y分量)進行對比。
結(jié)語
本文基于OR1200微處理器設(shè)計了一種面向H．264視頻編碼器的SoC驗證平臺，在集成了常用的各類IP核的基礎(chǔ)上，重點對與H．264編碼器特性相關(guān)的多端口SDRAM控制器進行了設(shè)計。經(jīng)過RTL級以及FPGA驗證，所設(shè)計的平臺可以滿足H．264編碼器軟硬件協(xié)同驗證的各種要求，可大大縮短H．264編碼器的開發(fā)時間。
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