（通信与信息系统专业论文）基于fpga的视频信号数字化采集与显示系统.pdf

j i ，j一门j，i n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo fi n f o r m a t i o na n d s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y d i g i t a lv i d e oa c q u i s i t o na n dd i s p l a y s y s t e mb a s e d o nf p g a at h e s i si nc o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m b y c a ij u n h u i a d v i s e db y l e iz h o n g k u i s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g j a n u a r y , 2 0 1 0 4川2帅852删8iiiii_y 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除 文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包 含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工 作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文 的复印件，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 随着微电子技术和集成电路制造技术的发展，特别是f p g a 的发展，为视频采集与显示系 统集成度的提高提供了新的解决思路和方法，基于f p g a 的高速图像处理系统的设计就是在这 种背景下提出来的，f p g a 拥有强大逻辑资源，并配置片外资源的综合利用，可以将视频采集 与显示系统以模块化的设计思路实现出来。 论文采用a l t e r a 公司推出的c y c l o n ei i e p 2 c 3 5 系列f p g a ，对该系列芯片的功能特点， 结构以及配置方式做了详细的说明，并简要的介绍了系统设计所涉及的软硬件开发环境以及 f p g a 开发经验，重点研究了基于f p g a 的视频信号的数字化采集与显示系统，系统在设计的过 程中被划分为视频采集模块，视频存储模块，视频显示模块来设计实现。视频采集模块：通过 1 2 c 总线完成对s a a 7 1 1 3 视频解码芯片的配置，将c o m s 摄像头采集来的模拟信号转换为8 位的 数字信号；视频存储模块：深入研究s d r a m 的工作原理，通过对s d r a m 控制器的设计将采集 进来视频图像信号存储到s d r j w 中，并配合s d r a m 读写控制时序完成视频信号的输入与输出 功能；视频显示模块：将y c b c r 格式的数字信号转换为r g b 格式的数字信号，设计v g a 接口控 制模块并通过l & d v 7 1 2 3 的d a 芯片将数字信号转换为模拟信号输出到c r t 显示器上显示。 论文最后将视频采集模块，视频存储模块，视频显示模块整合成一个系统。利用专业的 m o d e l s i m 仿真软件和示波器对系统以及各个模块进行仿真和调试，验证了模型功能的正确性和 系统可行性，在系统设计过程中，采用v e r i l o gh d l 实现各个功能模块，同时系统采用标准化， 模块化设计，使得系统具有可移植性，可扩展性的特性。 关键词：f p g a ，数字信号，视频采集与显示系统，s d r a m ，m o d e l s i m 基于f p g a 的视频信号数字化采集与显示系统 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em i c r o e l e c t r o n i c sa n di n t e g r a t e dc i r c u i tm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yt h ed e v e l o p m e n to ff p g aa b o u tt h ev i d e oc a p t u r ea n dd i s p l a ys y s t e m , w h i c hp r o v i d e sa n e ws o l u t i o ni d e aa n dm e t h o da b o u tt h ei m p r o v e m e n to fi n t e g r a t i o n f p g a - b a s e dd i 百t a lv i d e os i g n a l a c q u i s i t i o na n dd i s p l a ys y s t e mi sp u tf o r w a r di nt h i sc o n t e x t ，觞r e s u l to ff p g a ss 仃o n gl o g i c r e s o u r c e sa n dc o n f i g u r i n gt h ec o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no fc h i pr e s o u r c e s ，v i d e oc a p t u r ea n dd i s p l a y s y s t e mc a l lb em a d ef o rm o d u l a rd e s i g n i nt h i sp a p e r , a l t e r ac o r p o r a t i o ni n t r o d u c et h es e r i e so fc y c l o n ei i f p g a ，a n dt h ec h i p s f e a t u r e s ，s t r u c t u r ea n dc o n f i g u r a t i o nh a v ed o n ead e t a i l e dd e s c r i p t i o na n dab r i e fi n t r o d u c t i o n ，t h e s y s t e md e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei n v o l v e di nt h ed e s i g np r o c e s sa n df p g a sd e v e l o p m e n t e x p e r i e n c ei sa l s oi n t r o d u c e d ea tt h es a n l et i m e f o c u s i n go ns t u d y i n gt h ef p g a - b a s e dd i g i t a lv i d e o s i g n a la c q u i s i t i o na n dd i s p l a ys y s t e m , t h es y s t e mi sd i v i d e di n t o av i d e oc a p t u r em o d u l e ，v i d e o s t o r a g em o d u l e ，v i d e od i s p l a ym o d u l ei nt h ed e s i g np r o c e s s v i d e oc a p t u r em o d u l e ：a d o p t i o no ft h e 1 2 cb u st oc o n f i g et h es a a 7 1 1 3v i d e od e c o d e rc h i p ，a f t e rc o m e p l e t et h ec o n f i g u r a t i o no f t h ec o m s c a m e r a ，w h i c hc a l lc a p t u r et h ea n a l o gs i g n a la n di sc o n v e g e dt o8 - b i td i g i t a ls i g n a l ；v i d e os t o r a g e m o d u l e ：i n _ d 印t hs t u d yo ft h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fs d r a m ，t h es d r a mw i l lb ed e s i g n e dt oc a p t u r e i n c o m i n gv i d e os i g n a l sb ys d r a md e s i g n ，a n d 诵mt h es d r a m sr e a d i n ga n dw r i t i n gc o n t r o lt i m i n g c o m p l e t et h ev i d e os i pi n p u ta n do u t p u tf u n c t i o n s ；v i d e od i s p l a ym o d u l e ：w h i c hc o n v e r t sd i g i t a l s i g r l a lo fy c b c rf o r m a ti n t od i g i t a ls i g n a lo fr g bf o r m a t ，a n dd e s i g nv g a i n t e r f a c ec o n t r o lm o d u l e a n dc o n v e r td i g i t a ls i g n a l st oa n a l o gs i g n a lt h r o u g ha d v 7 1 2 3w h i c hi so u t p u tt ot h ec r td i s p l a y i nt h ee n d ，t h ev i d e oc a p t u r em o d u l e ，v i d e om e m o r ym o d u l e ，a n dv i d e od i s p l a ym o d u l ea r e i n t e g r a t e di n t oas y s t e m u s i n gp r o f e s s i o n a ls i m u l a t i o ns o f t w a r eo nt h es y s t e m , a sw e l l 嬲m o d e l s i m a n do s c i l l o s c o p e st os i m u l a t ea n dd e b u ge a c hm o d u l et ov e r i f yt h ec o r r e c t r l e s so ft h em o d e lf e a t u r e s a n ds y s t e mv i a b i l i t y , i nt h es y s t e md e s i g np r o c e s s ，u s i n gv e r i l o gh d la c h i e v et h ev a r i o u sf u n c t i o n a l m o d u l e s ，w h i c hc a nm a k e ss y s t e mw i t hp o r t a b i l i t y , s c a l a b i l i t yf e a t u r e s k e yw o r d s ：f p g a ，d i g i t a ls i g n a l ，d i g i t a lv i d e oc a p u t u r ea n dd i s p l a ys y s t e m , s d r a m ，m o d e l s i m i i 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 引言1 1 2 背景及其意义：1 1 3 国内外研究概况2 1 4 论文主要研究内容。2 1 5 论文的工作安排3 第二章系统的软硬件开发环境4 2 1 硬件开发套件介绍4 2 2c y c l o n ei i 系列f p g a 芯片概况。5 2 3 软件开发环境介绍。1 1 2 4f p g a 开发一1 2 2 4 1f p g a 开发流程1 2 2 4 2 基于f p g a 设计经验总结1 4 2 5 本章小结1 5 第三章系统总体设计及基本原理1 6 3 1 视频处理技术概述1 6 3 1 1 视频信号的数字化。1 7 3 1 2 视频信号的色度空间转换1 8 3 1 3 数字视频的优点1 9 3 1 4 视频图像的处理过程1 9 3 2 系统方案与组成2 0 3 2 1 视频采集与显示系统构成2 0 3 3 2 视频采集与显示系统功能模块划分2 1 3 3 本章小结2 2 第四章基于f p g a 的视频信号数字化采集与显示系统设计。2 3 4 1 视频图像的采集。2 4 4 1 1s a a 7 11 3 芯片工作原理2 4 4 1 2s a a 7 11 3 视频输出格式。2 5 4 1 31 2 c 总线2 5 i i i 基于f p g a 的视频信号数字化采集与显示系统 4 1 4s a a 7 1 1 3 芯片的初始化2 6 4 1 5 视频图像采集模块设计与仿真。2 8 4 2 视频图像的处理2 9 4 2 1 存储器的选择2 9 4 2 2s d r a m 工作原理3 0 4 2 3s d r a m 控制器接口3l 4 2 4s d r a m 控制器的设计3 3 4 2 5s d r a m 控制器读写仿真3 8 4 2 6 视频图像存储模块的设计与仿真4 0 4 3 视频图像的显示一4 3 4 3 1v g a 接口原理4 4 4 3 2 颜色空间转换模块设计。4 5 4 3 3 视频显示模块设计与仿真4 6 4 4 本章小结4 7 第五章系统仿真与调试4 9 5 1 仿真的内容4 9 5 2q u a r t u si i 下的工程编译一4 9 5 3 系统仿真5 0 5 3 1m o d e l s i m6 0 仿真流程5 0 5 3 2 系统仿真。5l 5 4 硬件调试5 2 5 5 系统实现5 3 5 6 本章小结一5 4 第六章总结和展望5 5 参考文献。5 7 致谢6 0 在学期间研究成果及发表学术论文6 l i v 南京航空航天大学硕士学位论文 图表清单 图2 1e p 2 c 3 5 开发板套件4 图2 2 逻辑单元结构图6 图2 3 锁相环的结构8 图2 4f p g a 的开发流程图1 3 图3 1 黑白视频信号的数字化采集。1 7 图3 2 彩色视频信号的数字化1 8 图3 3 视频图像的处理流程2 0 图3 4 系统设计方案流程图一2 1 图4 1 系统硬件设计结构图2 3 图4 2s a a 7 1 1 3 典型应用原理2 4 图4 3 串行总线上的数据传输顺序2 6 图4 4s a a 7 11 3 初始化配置。2 7 图4 5 视频采集结构图。2 8 图4 6 视频采集模块仿真。2 9 图4 7s d r a m 初始化流程图3 0 图4 8 总体设计框图和外部接口信号31 图4 9f p g a 与s d r a m 连接图3 3 图4 1 0s d r a m 控制器结构组成图3 4 图4 1 1 系统控制接口模块结构图3 5 图4 1 2 系统控制接口模块实现3 5 图4 1 3c m d 模块结构图3 6 图4 1 4c m d 模块实现3 7 图4 1 5 数据通路模块结构图3 8 图4 1 6s d r a m 控制器状态原理图一3 8 图4 1 7s d r a m 刷新和配置3 9 图4 1 8 写s d r a m ，顺序写入从2 0 6 开始，4 2 8 结束的递增数据。3 9 图4 1 9 读s d r a m ，顺序读出从2 0 6 开始，4 2 8 结束的递增数据一4 0 图4 2 0 视频图像存储模块设计4 0 图4 2 1f 刀陶正常读写时序关系图4 1 v 基于f p g a 的视频信号数字化采集与显示系统 图4 2 2f i f o 读写满时序关系图4 l 图4 2 3 视频存储模块仿真波形4 3 图4 2 4v g a 接口图4 4 图4 2 5 显示模块结构图4 7 图4 2 6 视频显示模块仿真4 7 图5 1 视频采集与显示系统工程编译结果4 9 南京航空航天大学硕士学位论文 注释表 缩写英文全称 注释 f p g af i e l dp r g r a m m c rg a t ea r r a y现场可编程门阵列 s o c s y s t e mo nc h i p 片上系统 s o p c s y s t e mo l lap r o g r a m m a b l e 片上可编程系统 s d r a m s y n c h r o u sd y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y 同步动态随机存储器 s r a ms t a t i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y静态随机存储器 v g av i d e og r a p h i c sa r r a y视频图像阵列 j t a gt h ej o i n tt e s ta c t i o ng r o u p联合测试组 c r tc a t h o d er a yt u b e阴极射线管 d s p d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g 数字信号处理 l p m l i b r a r yp a r a m e t e r i z e dm o d u l e s 参数化的宏功能模块库 r t l r e g i s t e rt r a n s f e rl e v e l 寄存器传输级 v i l 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 在我们的生活中，视频所传递的信息无处不在，比如视频点播、视频会议、视频监控、多 媒体短信等等当中都包含有丰富的视频信号，同时我们从外界获取信息的渠道多是通过视觉得 到的，视频信息已经在我们生活中占据非常重要的位置，可以说无处不在，而视频采集与显示 系统是用设备来捕获客观世界的图像和特征，经过处理之后，显示出来，这种系统的广泛应用 使得视频信号以特有的方式在各个领域飞速发展。 1 2 背景及其意义 随着经济与科技的迅猛发展，视频领域快速变革的时代已经到来，从模拟信号到数字信号 的转换，也使视频信号的处理变得更加方便，自计算机诞生以来，人们都梦想着用这种工具来 处理信息量很大的视频信号。随着电子器件的进展，尤其是各种图形、图像设备和语音设备的 问世，计算机逐渐进入多媒体时代，信息载体扩展到文、图、声等多种类型，使计算机的应用 领域进一步扩大。由于视觉，即图形、图像，最能直观明了、生动形象地传达有关对象的信息， 因而在多媒体计算机中占有重要的地位，在多媒体阶段，计算机与视频就产生了联姻。 数字视频的发展主要是指在个人计算机上的发展，可以大致分为初级、主流和高级几个历 史阶段。纵观数字视频的发展可以分为几个阶段，第阶段是初级阶段，其主要特点就是在台 式计算机上增加简单的视频功能，利用电脑来处理活动画面，这给人展示了一番美好的前景， 但是由于设备还未能普及，都是面向制作视频制作领域的专业人员。普通p c 用户还无法奢望 在自己的电脑上实现视频功能，第二个阶段为主流阶段，在这个阶段数字视频在计算机中得到 广泛应用，成为主流。初期数字视频的发展没有人们期望的那么快，原因很简单，就是对数字 视频的处理很费力，这是因为数字视频的数据量非常之大，一分钟的满屏的真彩色数字视频需 要1 5 g b 的存储空间，而在早期殷台式机配备的硬盘容量大约是几百兆，显然无法胜任如此 大的数据量。第三阶段是高级阶段，在这一阶段，普通个人计算机进入了成熟的多媒体计算机 时代。各种计算机外设产品日益齐备，数字影像设备争奇斗艳，视频处理硬件与软件技术高度 发达，这些都为数字视频的流行起到了推波助澜的作用【1 1 。 二十世纪九十年代末，伴随着计算机技术、图像处理技术和网络技术的发展与普及，兴起 了数字化监控浪潮，数字监控的广泛应用起源于金融行业的数字化改造，主要标志是d v r 代 替了模拟录像机。无论是p c 式的d v r ，还是嵌入式的d v r ，均可实现原来模拟录像机所具备 功能，如报警录像、定时录像、资料复核等功能，还能实现移动侦测录像( 在视频编码过程中 l 基于f p g a 的视频信号数字化采集与显示系统 实现) 、字符叠加( 如o s d 、l o g o 等) 、区域遮盖( 保护隐私区域) 、数字水印( 防止录像资 料被篡改) 等功能，这些功能的实现，大部分是应用视频处理技术来实现的，同时，通过视频 处理技术的不断创新，可以实现更多满足实际应用需求的特定功能。 随着微电子技术和集成电路制造技术的发展，特别是f p g a 的发展，为视频采集与显示系 统集成度的提高提供了新的解决思路和方法。基于f p g a 的视频信号数字化采集与显示系统的 设计就是在这种背景下提出的，f p g a 拥有强大逻辑资源，并配置片外资源的综合利用，可以 将视频采集与显示系统以模块化的设计思路实现出来。 1 3 国内外研究概况 从国外看，数字图像采集的性能有了很大的提高，随着c c d 制造工艺的提高。8 0 0 万象素 的c c d 已经成为主流，2 0 0 0 万象素的c c d 器件也研制成功，同时终端显示的能力也相应有了 进步，h d t v 的视频大小已经达到1 2 8 0 x 7 2 0 p 、1 9 2 0 x 1 0 8 0 ，海量存储设备的价格也比较合理， 很多西方发达国家建设了高速率，大容量的通信传输带宽，如2 0 0 0 年伦敦高速公路网，也是世 界上最繁忙的m 2 5 高速公路上采用最新的视频处理技术和压缩技术来满足不断增长的需求，各 个国家也在大力发展这一领域的应用，集视频，音频与一体。 从国内看，今后视频监控的图像质量主流将会逐步达到高清晰电视的水平，这将有效地提 升城市视频监控联网中图像的清晰度，随着数字图像处理技术的进步，d s p 芯片运算能力的提 升，许多原来需要用调整光学系统来提高视频采集效果的情况，目前采用数字图像处理的技术 即可达到，而且具有更高的灵活性。如图像增强和图像复原，特别是采用一些以前用在军工设 备上的技术，如超分辨率、模糊图像复原，可以有效的提升图像的质量，弥补已有监控视频采 集设备的一些硬件性能上的弱点，提升产品价值。 1 4 论文主要研究内容 论文采用a l t e r a 公司的c y c o l n ei ie p 2 c 3 5 系列f p g a 作为硬件开发环境和q u a r t u s i i8 1 为软件开发环境，利用q u a r t u si i8 1 自带的仿真器和m o d e s i m6 0 仿真工具为系统 仿真。 论文首先对系统设计所需要的软硬件开发环境做了介绍，课题所用到的硬件开发环境是 c y c o l n ei ie p 2 c 3 5 系列f p g a 芯片，论文对该系列的结构特点和配置方式，做了简要的介 绍，随后介绍了系统所用到的软件开发环境q u a r t u si i8 1 和v e r i l o gh d l 。针对f g g a 的开发 设计流程做详细的介绍，并对在f p g a 开发实践中的一些经验作了总结。 其次描述了数字视频的特点，从总体阐述基于f p g a 视频采集与显示系统的设计方案，经 c m o s 摄像头采集过来的模拟视频信号，通过视频解码芯片s a a 7 1 1 3 处理，将模拟视频图像 信号转换为数字视频图像信号，并配合s d r a m 控制器对数据读写时序的控制将其存入视频输 2 南京航空航天大学硕士学位论文 入缓存器，而后经过视频输出缓存器把数据送到v g a 端口，进行视频显示。并将整个系统的 功能模块做了划分：数字视频图像采集部分，数字视频图像存储部分，视频显示部分，并分别 对数字视频采集与显示系统各个功能模块进行设计实现，最后对基于f p g a 的视频信号数字化 采集与显示系统进行仿真和调试。 1 5 论文的工作安排 论文的具体工作安排如下： 第一章绪论。内容主要包括课题的理论背景和来源，论文的内容和工作安排。 第二章系统的软硬件开发环境。重点介绍了系统设计所涉及到的软硬件开发环境，并针 对a l t e r a 公司c y c l o n ei i 系列f p c 认芯片的结构特点，配置和下载方式作了简 要的介绍，对相关软件也作了简要说明。随后详述了f p g a 开发中的相关知识以及 f p g a 开发经验。 第三章系统总体设计及基本原理。介绍了数字信号的特点，以及模拟信号数字化的工作 原理，并对数字信号的标准和描述方法做了详细的介绍，并针对视频采集与显示 系统所要实现的功能，提出系统整体设计方案，并对系统各个功能模块进行了划 分，且对各个功能模块做了简要的论述。 第四章基于f p g a 的视频信号数字化采集与显示系统设计。本章是论文的核心章节，将视 频采集与显示系统分为三个部分：数字视频图像的采集，数字视频图像的存储， 视频图像的显示，结合系统分别对视频采集模块，视频存储模块，视频显示模块 进行设计实现。 第五章系统仿真与调试。对基于f p g a 的视频信号数字化采集与显示系统进行仿真调试。 第六章总结与展望。 3 基于f p g a 的视频信号数字化采集与显示系统 第二章系统的软硬件开发环境 系统设计总是依赖于一定的开发环境，不同的公司的芯片或同一公司的不同系列芯片在利 用其进行系统设计的时候，所用的开发环境或许都不一样，为了更好的进行的后续的设计工作， 须掌握系统所用到的软硬件开发环境，并熟练其工作原理和设计方法，这样才能在设计中更好 的进行编译，仿真，调试。 2 1 硬件开发套件介绍 论文利用a l t e r a 公司的e p 2 c 3 5 芯片【2 1 扩展而来的r e dc l l n o n e 开发板来实现视频采 集与显示系统，并对系统进行模块化设计实现。 硬件开发套件方面：r e dc l i n o n e 开发板如图2 1 所示，开发板有三部分组成：核心板， 底板和电源板( 提供5 v ，3 3 v ，1 2 v 电压) 。核心板和底板可以配合使用也可以单独使用核心板， 当核心板与底板配合使用时将电源插在底板的电源接口上，核心板不要外接电源模块；当单独 使用核心板时再接外接电源模块。根据数字视频采集与显示的特点本系统主要介绍以下用到几 个硬件。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 ( 1 ) 5 0 9 0 万门a l t e r ac y c l o n e 系列f p g a 表2 1e p 2 c 3 5 配置情况 芯片特性 e p 2 c 2 0 f 4 8 4 c 8e p 2 c 3 5 f 4 8 4 c 8 l e s1 8 7 5 23 3 2 1 6 m 4 kra mb l o c k ( 1 2 8 3 6 b i t )5 21 0 5 t o t a l r a mb i t s2 3 9 6 1 64 8 3 8 4 0 p p l s 44 e m b e d d e dm u l t i p l i e r s 2 63 5 m a x i m u mu s e ri o sp i n s 3 1 53 1 5 ( 2 ) 支持最大单片1 6 m b x l 6 b i t 4 m x l 6 b i t 高速s d r a m 芯片，两片s d r a m 并联，形成3 2 位 的带宽，最高1 6 6 m 的读写速度。 ( 3 ) 1 2 8 6 4 m b y t e 快速f l a s h ，支持最大单片1 2 8 x s b i t 读写速度为9 0 n s ，灵活的页面方式，可 以用来存储f p g a 配置文件或者操作系统镜像文件。 ( 4 ) 视频a d 接口和1 6 位v g a 输出接口，s a a 7 1 1 3 视频解码芯片( 具体使用方法将在下文 中详细讲到) ，a n a l o g d e v i c e 公司的v g a d a c a d v 7 1 2 3 ，和f p g a 间接1 2 1 为标准的数字v g a ， 支持r g b 5 6 5 格式，同时b 通道可配置为8 b i t 输入，可用于c v b s 视频编码器口的开发。 2 2c y c l o n ei i 系列f p g a 芯片概况 论文采用的是a l t e r a 公司c y c l o n ei i 系列的e p 2 c 3 5 3 f p g a 芯片，下面我们重点介绍该 系列芯片的内部结构及配置方式，有助于理解和熟悉系统的设计。c y c l o n ei i 系列f p g a 芯 片属于中端产品，比较有代表性，相对于1 3 0 r a m 工艺的c y c l o n e 系列f p g a 来讲，制作工 艺做了很大改进，采用9 0 m m 工艺，片内的逻辑资源也大幅增加，内部带有乘法器，满足高速 乘法操作，增强了数字信号处理能力，还支持n i o si i 嵌入式处理器。 在c y c l o n ei i 系列f p g a 内部，资源是按照行，列的方式呈2 维分布的，这些资源主要 包括逻辑阵列，m 4 k 存储器块，乘法器等。 ( 1 ) 逻辑单元与逻辑阵列 逻辑单元是在f p g a 器件内部，用于完成用户逻辑的最小单元，一个逻辑阵列包含1 6 个 逻辑单元以及一些其他资源，而逻辑单元主要有一个4 输入的查询表( u 厂r ) ，一个可编程的寄 存器，一条进位链和一条寄存器级连链，结构图如图2 2 所示。 查询表的功能是用于完成用户需要的逻辑功能jc y c l o n e 系列f p g a 中查询表是4 输 入l 输出的查询表，可以完成任意的4 输入l 输出的组合逻辑，可编辑寄存器可以被配置成d 触发器、t 触发器、j k 触发器或者s r 锁存器，每个寄存器包含有4 个输入信号：数据输入、 5 基于f p g a 的视频信号数字化采集与显示系统 时钟输入、时钟使能输入以及复位输入。其中内部逻辑、外部引脚能够驱动寄存器的时钟输入、 时钟使能输入和复位输入，时钟输入和复位输出也可以通过全局时钟树驱动。一个逻辑单元包 含3 个输出，两个用于驱动行连接、列连接和直接连接，另外一个用于驱动本地互连，这三个 输出可以从查询表的输出或者寄存器的输出获得。寄存器级联的作用是在一个逻辑阵列内部将 一个逻辑单元中的寄存器的输出直接连接到下一个逻辑单元的寄存器的输入，利用寄存器级链、 寄存器旁路以及寄存器合并特性、能够将同一个逻辑阵列内部的逻辑单元的查询表和寄存器分 开使用，用查询表完成的逻辑功能，将寄存器级联起来实现移位寄存器。 出 图2 2 逻辑单元结构图 逻辑阵列的主体是1 6 个逻辑单元，加上一些逻辑阵列内部的控制信号以及互连通路，使得 逻辑阵列具有一些特性，而本地互连通路是逻辑阵列的重要组成部分，它在1 6 个逻辑单元之间 起到高速链路的作用，为一个逻辑阵列内部的逻辑单元提供高速的连接通路，并且可以被逻辑 阵列内的寄存器和查询表以及行连接通路和列连接通路驱动，本地互连通路还提供了一种对外 的高速连接通路，称之为直接连接通路，它连接的是相邻的逻辑阵列，或者与逻辑阵列相邻的 m 4 k 存储器块，乘法器，锁相环等，节约了行连接和列连接通路的使用，提高电路的性能，增 强设计的灵活性。此外逻辑阵列还包括两个时钟信号，两个时钟使能信号，两个异步复位信号， 一个同步复位信号和一个同步加载信号，通过这8 个控制信号完成对逻辑阵列的有效使用 ( 2 ) 内部连接通路 在f p g a 内部存在各种连接通路，用于连接器件内部的不同模块，由于f p g a 内部的 是按照行列的方式分布的，所以连接通路又分为行连接和列连接，行连接又可分为r 4 连 r 2 4 连接和直接连接，而列连接用于连接垂直排列的各种模块，包括一个逻辑阵列范围内 的寄存器级连链，覆盖4 个功能模块的c 4 连接以及覆盖1 6 个功能模块的c 1 6 连接。为了 6 南京航空航天大学硕士学位论文 楚的说明c y c l o n e i i 系列f p g a 中所有模块所能驱动以及被驱动的连接类型，特用表2 2 说 明： 表2 2 内部链路通路驱动表 源 目标 寄本直r 4r 2 4c ac 1 6逻m 4 k乘 锁列行 存 地 接连连连连辑内存法相输输 器互连接接接接单块器环入入 级连接元 输输 连 出出 链 寄存器级连链 0 本地互连0心0 、l0 0 直接连接0 r 4 连接_0-0 0 r 2 4 连接、l0、l0 c 4 连接00 00心 c 1 6 连接0 0 心0 逻辑单元00 0 0 心 m 4 k 内存块0 0心 心 乘法器0 0 0 0 锁相环 心心0 行输入输出单元 心0 列输入输出单元0心 心0 ( 3 ) 时钟资源 c y c l o n e i i 系列f p g a 中有关时钟资源的部分主要包括全局时钟树和锁相环两个部分， 全局时钟树又称全局时钟网络，它负责把时钟分配到器件内部的各个单元，控制器件内部的所 有资源，锁相环则可以完成分频、倍频、移相等有关时钟的基本操作，而e p 2 c 3 5 包括4 个锁 相环和1 6 条全局时钟树。 全局时钟树是一种时钟网络，可以为f p g a 内部的所有资源提供时钟信号，这些资源包括 内部的寄存器、内部的存储器、输入腧出管脚寄存器等，而且每条全局时钟树都对应一个时钟 控制模块，该模块的作用是从多个时钟源中选择一个连接到全局时钟树，进而提供给片内的各 种资源。这些时钟源包括锁相环的输出，专用时钟引脚的输入，两用时钟引脚的输入或者内部 7 基于f p g a 的视频信号数字化采集与显示系统 逻辑等，而锁相环的输出，专用时钟引脚的输入，两用时钟引脚的输入或内部逻辑都可以驱动 时钟控制模块。 锁相环在电路设计中非常实用，除了被用来完成分频、倍频操作之外，锁相环还经常用来 使f p g a 内部的时钟和外部的时钟保持沿同步，提供需要的外部时钟输出等。下面用表列举 c y c l o n ei i 系列f p g a 中锁相环的一些特性以及功能。 表2 3 锁相环的特性和功能 特性或功能说明 相移 对输入时钟移相，最高精度可达1 2 5 p s 分频和倍频对输入时钟进行分频或者倍频，分频或倍频的系数 j 设置占空比 输出时钟的占空比可调 片内时钟输出最多3 个输出可以驱动全局时钟树，为片内资源提供时钟 片外时钟输出最多1 个输出可以通过时钟输出引脚提供给片外资源 时钟切换支持手动时钟切换 锁定指示指示锁相环处于锁定状态，用户可以设置锁定指示信号变高的时间 反馈模式支持3 种反馈模式 控制信号多个控制信号，是用户可以更为灵活的使用锁相环 为了更好的表示锁相环的原理，特将锁相环的结构画出来，如区 时钟切换控 一钟 一仙1 制 i 一一一一 一c k l 一、r 一、i v 1，叶书屯钟 qh i i y 口卜 伸钟 匕j _ 叫 y i 瓣 引脚 一 锁定检测ii -馈定示信鼍i 图2 3 锁相环的结构 。 锁相环最主要的目的是产生一个和外部输入时钟保持同步的时钟信号，这种同步包括频率 同步和相位同步两部分，p f d 称之为相频鉴相器；用来比较反馈时钟信号同参考时钟信号的相 位关系，然后给出控制信号用于调节压控振荡器产生的时钟频率。电荷泵和环