（微电子学与固体电子学专业论文）多路视频混合ip的设计及评测.pdf

多路视频混合i p 的设计及评测 摘要 多路视频混合i p 可以应用于显示系统中，它能够增强显示系统的功能，提 高显示性能，并且使混合操作更加简易。该i p 可以实现对四路或少于四路的视 频图像进行透明叠加和色控叠加，计算机可以通过p c i 总线向该i p 发出不同的 控制命令，从而得到不同效果的视频混合图像输出。通过对多路视频混合m 质 量评测，可以得到结论：此i p 的性能指标达到了预期的要求，并且设计质量、 验证质量和可交付项质量较高。 本论文阐述了多路视频混合i p 的设计及其评测过程。先从系统架构出发， 主要讨论了此i p 的功能结构和全局因素：接着阐述了此i p 中三大主要组成模块： 视频混合模块、跨时钟域数据接口模块和s d r a m 控制模块，并分析讨论了设计 这些模块过程中的关键技术和重要策略，这是本论文的主体和重点：最后讨论i p 评测的相关理论和方法，并以多路视频混合i p 为例给出评测结果。 本论文提出了基于e d a 工具评测i p 软核的具体方法，这是对i p 核评测技术 的丰富和发展。另外，本论文归纳并讨论了跨时钟域传递数据的各种方法以及时 钟等全局因素的设计技巧，分析讨论时尽可能地兼顾普遍性，这对电路设计，尤 其是数字集成电路设计具有一定的参考价值和借鉴意义。 关键词：视频，混合，s d r a m ，接口，评测 a d e s i g na n da s s e s s m e n to fm u l t i - p a t h - v i d e ob l e n d i n gi p a b s t r a c t m u l t i p a t h - v i d e ob l e n d i n gi pc a nb ea p p l i e di nt h ev i d e os y s t e m ，w h i c hw i l l b e c o m em o r ep o w e r f u la n de a s i e rt ou s e ，a n dp e r f o r m sb e t t e r u n d e rt h ec o n t r o lo f t h e c o m p u t e r , f o u ro rl e s st h a nf o u rp a t h so fv i d e os i g n a l sc a nb eb l e n d e dt o g e t h e rb yt h e i p , a n dt h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h ei pa n dt h ec o m p u t e ri sp c il o c a lb u s w ec a ng e t d i f f e r e n tv i d e o - o u t p u to ft h ei pb yc o n t r o l l i n gt h ec o m p u t e r , s u c ha sa l p h ab l e n d i n g ， m a s ka n ds oo n n eq u a l i f i c a t i o no f t h ei pi sw o n d e r f u lb ya s s e s s i n gt h eq u a l i f i c a t i o n o f d e s i g n , v e r i f i c a t i o na n dt a p eo u t 1 1 1 et h e s i sf o c u s e so nt h ed e s i g na n da s s e s s m e n to f m u l t i p a t h - v i d e ob l e n d i n gi p f i r s to fa l l ，i n t r o d u c e st h em a i nf u n c t i o na n ds p e c i f i c a t i o no ft h ei p , a n ds e v e r a l i m p o r t a n tf a c t o r s n l e n ，i n t r o d u c e st h em o d u l e so fv i d e ob l e n d i n g ，s d r a mc o n t r o l l e r a n da s y n c h r o n o u sd a t ai n t e r f a c ei nd e t a i l ，w h i c hi st h em a i np a r to ft h et h e s i s l a s t l y , i n t r o d u c e sa s s e s s m e n t m e t h o d o l o g yo fi pq u a l i f i c a t i o n , a n ds h o wt h er e s u l ta b o u tt h e q u a l i f i c a t i o no f m u l t i p a t h - - v i d e ob l e n d i n gi e t h em e t h o do fa s s e s s m e n ts o f ti pi sb r o u g h tf o r w a r do nt h et h e s i s w h i c hi st h e e v o l u t i o no ft h em e t h o d o l o g yo fi pa s s e s s m e n t b yt h ew a y , t h es k i l l sa n dm e t h o d so f d e s i g n i n gd a t a - i n t e r f a c e - c i r c u i tb e t w e e nd i f f e r e n tc l o c kf i e l d sa n ds e v e r a lg l o b a l f a c t o r so fi cd e s i g n i n ga l es u m m e du po nt h et h e s i s t h ei d e a sa n dm e t h o d so f d e s i g n i n gt h ei pi sp o p u l a r , s ot h e s ec a l lb e c o m er e f e r e n c e so fo t h e rd e s i g n i n go f c i r c u i t s ，e s p e c i a l l yt h ed e s i g n i n go f d i g i t a li n t e g r a t e dc i r c u i t s k e yw o r d s ：v i d e o ，b l e n d i n g ，s d r a m ，i n t e r f a c e ，a s s e s s m e n t v 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 一1 1 图2 一1 2 图2 一1 3 图2 一1 4 图2 一1 5 图3 一l 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 一l o 图3 一1 1 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 插图清单 工艺发展与i c 设计效率增长之间的剪刀差3 多路视频混合过程8 多路视频混合i p 系统结构图9 占空比为1 3 的三分频电路1 1 占空比l ：2 的三分频电路1 2 时钟切换电路1 2 s k e w 示意图1 3 j i t t e r 示意图1 4 流水数据通路的电路1 4 j i t t e r 简单仿真模型描述1 5 j i t t e r 精确仿真模型描述1 6 带有j i t t e r 的时钟的波形1 6 s k e w 的综合模型报告18 时钟延时抖动示意图1 9 j i t t e r 的综合模型报告1 9 复位电路结构图一2 0 视频混合模块结构图2 3 查色表组合逻辑代码2 3 视频混合通道示意图2 4 模式状态转移图2 8 传统计数器结构2 9 n 位计数器电路原理图3 0 面积优先算法伪码3 2 计数器r t l 级模块图3 2 多周期路径约束脚本3 3 多周期路径时序分析3 3 视频a 混合i p 输出波形图3 5 信号触发同步电路3 7 信号触发同步电路仿真波形3 8 握手方式同步电路3 8 握手方式同步电路仿真波形3 9 跨时钟域接口模块周边图4 l 异步f i f o 结构图( 方案一) 4 2 x 图4 7 图4 8 图5 一l 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 一l l 图5 一1 2 图5 一1 3 图5 一1 4 图5 1 5 图5 一1 6 图6 一l 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 图6 6 图6 7 图6 8 图6 9 图6 1 0 图6 1 l 异步f i f o 结构图( 方案二) 4 4 跨时钟域接口仿真图4 5 读潜伏期示意图4 7 s d r a m 控制模块结构图4 8 s d r a m 控制其状态图5 1 选择激活操作时序5 3 连续突发读操作时序一5 4 随机读操作时序5 4 读到写操作时序5 5 读到预充电操作时序5 5 终止突发读操作时序5 6 突发写的时序5 7 写到写操作时序5 7 随机写操作时序5 8 写到读操作时序5 8 写到预充电操作时序5 9 终止突发写操作时序5 9 s d 蝴控制模块调试波形图6 2 评估f c m 模型6 4 基于e d a 工具i p 软核评测流程图7 0 电子表评分详细报告示例7 1 f p g a 流程编译报告7 3 功耗报告7 3 频率报告7 3 开发调试环境7 4 e d a 开发工具界面7 4 多路视频混合i p 及其载体7 5 逻辑分析仪抓取波形7 5 四路视频混合效果图。7 6 x i 表2 一l 表3 1 表3 2 表3 3 表4 一l 表5 1 表5 2 表6 1 表6 2 表6 3 表6 4 表6 5 表格清单 三分频电路状态转移表1 1 同步信号及其消隐信号标准表2 5 面积、时序余量对照3 4 功耗对照3 4 格雷码对应表4 3 s d r a m 基本信号表4 9 s d r a m 控制操作命令表5 0 r m m 部分指标示例6 6 e d a 工具与性能节点对应表6 7 电子表总评分报告7 1 a s i c 流程中度量结果：7 2 f p g a 流程中度量结果7 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金妲兰些太堂 或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：许滢辉 签字日期：劢0 7 年年月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月e 互些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅或借阅。本人授权金壁里些态堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者魏许渴崛导师繇森纪一 签字日期：加d 7 年钥? 同 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： i i i 签字日期：年月日 电话： 邮编： 致谢 首先我要感谢我的导师高明伦教授和潘剑宏老师在我两年半研究生学习生 活中的指导和关心。高老师学识渊博，治学严谨，对待科研一丝不苟，他对学生 的谆谆教诲都深深地记在我的心中。高老师是我今后人生道路上为人处事和工作 学习的楷模。 感谢我论文的指导教师周萌、张多利、张溯、王锐、杜高明、宋宇鲲和程作 仁博士，在我论文写作和项目过程中给予我耐心的指导和细心的帮助，在此表示 衷心的感谢。 感谢合肥工业大学微电子设计研究所的邓红辉、林微、贾靖华、王晓蕾等老 师，感谢她们给我学习上的帮助和生活上的关心。 我特别要感谢视频组和评测组的杨羽、霍晓嵩、章伟、何伟、耿罗峰、张文 婷、张建生、何亚军等，向他们的支持和工作致以深深的谢意。 十分感谢我的父母、姐姐及亲友对我学习和生活的默默支持和关心。 最后衷心感谢所有帮助过我的老师、同学和朋友们! 作者：许海辉 2 0 0 7 年3 月 第一章概述 1 1 集成电路发展动态 自1 9 5 8 年德国克萨斯仪器公司( t i ) 的基尔比等人研制发明了世界上第一 块集成电路以来，电子工业进入了集成电路( i c ) 的时代。经过4 0 多年的发展， 集成电路已经从最初的小规模集成电路( s s i ) 起步，先后经历了中规模( m s i ) 、 大规模( l s i ) 、超大规模( v l s i ) 、甚大规模( u l s i ) ，发展到目前的特大规模 集成电路( g s i ) 和系统芯片( s o c ) ，单个电路芯片集成的元件个数也从当时 的十几个发展到几亿个甚至几十、上百亿个。近年来，集成电路被广泛应用到 国民经济的各个领域，并推动这些领域的发展，已经成为信息产业的核心与基 础。 1 1 1 集成电路产业的兴起 随着i c 技术的发展，二十世纪六十年代先后发明了双极型和m o s 型两种 重要的集成电路，它标志着由电子管和晶体管制造电子整机的时代发生了质的 飞跃，创造了一个前所未有的具有极强渗透力和旺盛生命力的新兴产业集 成电路产业。 集成电路产业主要包括设计业、芯片制造业、封装业等，除此之外，还包 括集成电路制版业、测试业、半导体材料制造业、化工材料制造业和半导体专 用设备制造业等辅助生产业t t l 。我国的集成电路产业结构从九十年代开始逐步 走向设 、制造、封装三业并举的模式，这种相对独立的发展模式已日趋明显 和成熟。就设计来说，1 9 8 6 年在北京成立了我国第一家专业的集成电路设计公 司，即现在的华大集成电路设计中心。由于电子、通讯等整机厂商对a s i c 的 认可和需求欲望越来越高以及集成电路f o u n d r y 和封装业的长足进步，刺激了 集成电路没计业的迅速发展。据不完全统计，目前我国已经拥有以各种形态存 在的集成电路设计公司、设计中心、设计室等5 0 0 余家，分布于电子、邮电、 交通、航天、机械等多个部门和领域；另外，许多国外著名的公司纷纷在我国 建立起集成电路设计公司。我国的集成电路设计业已经从8 0 年代起步，经过9 0 年代的创业期，目前正进入它的快速发展期。 1 1 2 中国集成电路产业发展特点 二十世纪九十年代以前，i c 产业主要集中在日本、美国、西欧等国家和地 区，而亚洲其它地区大多数企业以后道工序的封装业为主。然而，进入九十年 代以来，韩国、新加坡和台湾地区等纷纷介入i c 加工业的前道工序，大规模投 资于难度较高的i c 制造业。到目前为止，全球i c 产业主要集中于美国、日本、 韩国、台湾省、和新加坡等国家和地区。经过1 0 多年的快速发展，我国的集成 电路领域已建立起比较完整的设计、开发、制造工艺、封装工艺等产业体系， 其呈现出以下发展态势【z j ： 第一，产业规模不断扩大。国家通过制定鼓励政策、改善了集成电路产业 发展环境，加之各方面加大对集成电路产业的投资，极大地推动了中国集成电 路产业的发展，使集成电路产业规模在5 年间扩大了3 倍。 第二，设计业和芯片制造业在产业中的比重显著上升。2 0 0 0 年，集成电路 设计、芯片制造和封装与测试三业的销售额比例为5 3 ：2 5 8 ：6 8 9 ，2 0 0 4 年上升为1 5 ：3 3 ：5 2 。该数据表明，设计业和芯片制造业在产业中的比重 显著上升，而封装与测试业比重有所下降。 第三，集成电路设计业发展迅速。设计企业的数量从2 0 0 0 年的8 0 家左右 增长到2 0 0 4 年的4 0 0 多家，设计业销售额由2 0 0 0 年的1 1 亿元增长到2 0 0 4 年 的8 1 亿元。目前，设计水平已经达到0 1 3 微米，在c p u 、d s p 、网络路由、 音视频、t d s c d m a 、手机等领域已开发出了具有自主知识产权的产品。 第四，产业群聚效应凸显。近年来，长江三角洲、京津环渤海以及珠江三 角洲地区已经成为我国集成电路产业分布的地区，这三个地区的集成电路销售 额占总销售额的9 5 以上。 第五，海外学子纷纷回国创业。大批海外学子创立了各种类型的集成电路 设计公司和设计服务公司等，如北京中星微电子公司、上海展讯公司等，对促 进我国集成电路产业发展发挥了生力军的作用。 1 1 3 基于i p 重用的s o c 设计方法 随著集成电路生产工艺的不断进步，芯片集成度基本按照摩尔定律在不断 提高，使得将整个电路系统集成到一个芯片上成为可能。系统芯片( s o c ) 通常 指在单一芯片上实现的电路系统。该系统应包含两个基本部分：硬件部分和软 件部分。硬件部分包括c p u 或d s p , r o m r a m ，f o 等基本部件；软件部分主 要指操作系统，也可以包括重要的应用软件。s o c 设计技术的运用和推广大大 地降低了整个系统的开发费用，同时在原有芯片的基础上增加了更多的功能， 而且提高了产品性能。尤其在消费类电子产品中，s o c 大大地缩短了产品的面 市时间( t t m ，t i m e t o m a r k e t ) 。半导体集成电路工业向s o c 发展是世界进入 信息时代及微电子工艺进步的必然趋势，它是集成电路产业的又一次技术跃变。 伴随着s o c 出现，i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 成了i c 业界关注的焦点，集 成电路i p 是电路知识产权模块的简称( 简称i p ) 。美国d a t a q u e s t 咨询公司将集 成电路产业领域的i p 定义为预先设计好的电路功能模块，它可供重复使用于集 2 成电路产品的设计、生产等环节中。i p 本身是一种商品，它的主要形式如下： 夺i p 软核：软核是以代码的形式存在，是知识产权的载体，其最终产品 与通常的应用软件相似； 夺i p 硬核：硬核是在软核基础上针对具体工艺库开发的，它是工业应用 的载体；它提供设计的最终阶段产品：掩膜；随着设计深度的提高，后 续工序所需要做的事情就越少，当然，灵活性也就越小； 夺i p 固核：固核介于软核和硬核之间，有较大的设计深度，以网表的形 式提交客户使用。 j 蠢瓠 歹肜 一 彳。彳一 么刍彳f。设弄盏嚣长 基星塞墓星蕈蕃萎妻娶磊蓦嚣蠢罴 t 。， i 谴计复用 年份 图1 1j ：艺发展与i c 设计效率增跃之间的剪刀筹 目i i i i c 设计效率的提高远远落后于半导体工艺技术的发展。集成电路的集 成规模以每年5 8 的速度增加，而集成电路的设计效率仅以每年2 l 的速度增 加，这样就在集成规模和设计效率之间形成了一定的剪刀差【”，如图1 1 所示。 缓慢的设计速度是i c 产业发展的主要障碍。与传统i c 设计相比，s o c 设计复 杂庞大，需要投入更多的人力与时问；设计效率和工艺水平之间的矛盾也更为 尖锐。然而，不难发现，可重用性是i p 的本质属性，设计中使用i p 就可以减 少不必要的重复劳动，而且可以大大降低设计难度，从而可以有效提高设计效 率，缩短产品面市时间。因此基于i p 重用的设计方法学是解决这一矛盾最有效 的途径。没有i p 重用技术支持的s o c 设计是没有生命力的。 1 2i p 评测技术 i p 供应商的出现和基于i p 重用的s o c 设计方法学的普及，极大的促进了集 成电路设计业的发展，伴随着i p 的推广和使用，也出现了一系列急需解决的问 题。首先i p 供应商需要提供怎样的文件，才能使i p 用户能够方便、准确地选 哪 忡 伽 仲 ， 洲 一 邑皿襄嵋雹叫r犄牛肆 择i p ；其次i p 的使用者并不熟悉i p 结构，如何才能快速的对其进行修改以适 应设计者的需要；第三，由于s o c 各模块间的通讯并没有一个统一的标准，造 成i p 集成的困难，也就是如何解决p 接口标准的问题；第四，口种类很多， 设计同一类型i p 的公司办很多，如何建立一个相对客观的i p 评价体系，实现 对i p 质量的评估；第五，如何进行口的验证；第六，口使用的最大障碍之一 是i p 的知识产权保护，如何有效地建立起i p 的保护体系。这一系列问题的出 现，最终导致了i p 核标准的产生及相关国际组织的出现，同时衍生出i p 评测 技术。 1 2 1 国际i p 核相关联盟，组织 v s i a 是最早的i p 核标准组织，成立于1 9 9 6 年，迄今已经有1 0 年多的历 史，是全方位制定i p 标准的开放性国际联盟，成员包括系统设计公司、半导体 供应商、e d a 公司、i p 提供商。其后在世界各地陆续出现了区域性或国际性的 联盟和组织，以促进本地区和国家s o c i p 产业的形成和发展，如日本的i p t c 、 韩国的s i p a c 、台湾的s o c 推动联盟，i p 网上交易网站有法国的d & r 和英国 的v c x 等。随着s o c i p 产业的发展出现了专业性更强的组织如o c p i p 和 s p i r i t 。鉴于v s i a 在i p 标准开发和制定上的全面性和权威性以及o c p - i p 接 口标准在业界的广泛采用，下面对这二个组织的情况作简要介绍1 4 j 。 v s i a 现在大约有7 0 家成员，其目的是为系统芯片工业建立统一的技术规 范和标准，这些规范和标准可以使不同来源的i p ( 在v s i a 中称为v c 即v i r t u a l c o m p o n e n t ，虚拟元件) 很方便地集成在一起。2 0 0 4 年以i ； v s i a 是以工作组的 形式开展工作，陆续成立了模拟混合信号、功能验证、依靠硬件的软件 ( h a r d w a r e 。d e p e n d e n ts o f t w a r e ) 、实现验证、i p 保护、与制造相关的测试、片 上总线、系统级设计、虚拟元件质量、基于平台的设计和虚拟元件转让，共1 1 个开发工作组。 2 0 0 3 年v s i a 根据工作任务对工作组进行了调整，其中模拟混合信号和实 现验证工作组合并为一个实现工作组，撤消了系统级设计工作组，剩余9 个工 作组。这些工作组为s o c i p 工业界制定的标准规范文件从类型上可以分为四 类：i p 交付使用文档规范，标准文件、i p 复用设计标准、i p 质量评估标准和i p 知识产权保护，这些标准规范得到了工业界的广泛认可。 2 0 0 4 年v s i a 根据s o c i p 产业的发展进行了重组，开始以四个支柱( p i l l a r ) 为核心开展工作，这四个p i l l a r 就是现在的v s i a 工作组。四个p i l l a r 分别是m 质量p i l l a r 、i p 保护p i l l a r 、i p 基础设施p i l l a r 及由原来的工作组形成的r & dp i l l a r 。 每个p i l l a r 负责与i p 集成和复用相关的技术和商业上的解决方案，v s i a 为每个 p i l l a r 提供市场和管理方面的支持。v s i a 把其使命重新定义为通过提供| ；i 沿的 商业和技术上的解决方案以及洞察i p 开发、集成和重用技术，极大地提高s o c 4 设计团体的生产力。 o c p i p 是另一个值得关注的i p 组织。o c p i p 成立于2 0 0 1 年1 2 月，是一 个非盈利性的联盟，最初的成员有s o r t i e s 公司、n o k i a ，t e x a si n s t r u m e n t s ，m i p s t e c h n o l o g i e s ，u n i t e dm i c r o e l e c t r o n i c sc o r p o r a t i o n 。联盟以s o n i c s 公司的0 c p ( o p e n c o r ep r o t o c 0 1 ) 接口规范为基础，目的是为即插即用的s o c 设计提供一 套完整的通用标准i p 插座接口，把o c p 发展成接口标准。 现有的这些i p 核标准可以分为两类，一类是针对专门领域的标准，一类是 i p 核框架标准。框架标准目前只有v s i a 一家，而专门领域的标准有o c p i p 、 s p i r i t 和o p e n m o r e 等。根据中国目前的集成电路设计发展状况，v s i a 标准是 最适合在国内进行推广使用的。但v s i a 标准本身存在着某些不足，工f 如s p i r i t 的主席在d a c2 0 0 3 开幕仪式上所提到的那样，v s i a 制定的标准“过于抽象化， 缺乏具体性”。虽然v s i a 的标准对i p 核的可交付项等方面进行了详细定义，但 标准没有一个可以供i p 核设计者参考的设计流程，没有提供i p 软核、硬核的 设计实例。v s i a 标准需要使用者花大量的时间去学习和消化，使其在推广使用 过程中遇到了较大的阻力。 1 2 2i p 评测技术的发展状况 i p 在交易中，尤其是在应用前，必须知晓其性能质量。如何有效客观地评 测i p 性能质量呢? 国际上一直都在对i p 评测技术进行研究，例如美国v s i a 开 发了q i p 质量度量程序、e d a 巨头s y n o p s y s 和m e n t o r 联合开发的o p e n m o r e 质量度量程序等。b 寸内也紧随其后开始了研究，并取得了自己的研究成果。2 0 0 3 年国家8 6 3 计划重大专项之一就是c p u 和i pc o r e 的评测技术，国家信息产业 部设立了国家软件与集成电路公共服务平台( 简称c s i p ) 对该技术进行推广应 用，2 0 0 4 年在香港科技园成立大中华半导体知识产权交易中心( g c s i p t c ) 对 该技术进行研究。总地来说，在国内，i p 评测技术是最近几年才提出的一种工 程技术，虽然还需要不断地进行完善，但是已经可以应用到工程实践中，从而 实现二者相互促进，共同发展。 1 3 集成电路与视频混合 国内外很早以i j 就开始对视频理论进行了深入的研究，也取得很大的成果。 受条件制约，很多理论停留在软件实现阶段，随着集成电路的进步，通过硬件 实现各种视频算法逐渐成为热点。由于视频处理具有数据量大，算法通常比较 复杂的特点，研究者需要同时掌握算法理论和硬件电路设计知识，才能够根据 算法设计出满足各种性能要求的硬件电路，从而得到较好的实现方案，其实质 是需要把视频算法的实现深入到集成电路领域，并实现两者的完美结合。作为 视频理论的一个分支视频混合也是如此。本论文就是集成电路设计方法与 视频算法结合的产物。 1 4 课题来源、目的及意义 本课题来源于c e t c 3 8 所合作项目和i pc o r e 评测技术项目( 国家8 6 3 计划 编号：2 0 0 3 a a l 2 1 3 6 0 ) ，其目的是根据一定要求，通过硬件电路实现多路视频 图像的混合。为了确保i p 性能质量，设计中应用了i p 核评测技术，并完成对 该i p 的评测工作。 研究本课题，是为了增强显示系统的功能，提高显示性能，并且使混合操 作更加简易。对多路视频信号进行混合，需要完成大量的计算，通过软件很难 达到理想的效果，通过硬件实现视频混合算法，能较高效地实现各种方式的混 合。其次，研究i p 核评测技术，不但可以通过定量的手段评测i p 核性能质量 的好坏，而且可以指导工程实践，把该技术贯彻到设计流程中，可以更好地进 行质量控制，从而降低系统集成的难度，使设计更容易收敛。评测技术可以指 导工程技术实践，工程技术实践也可以丰富和发展评测技术，二者相辅相成， 有机统一。另外，研究本课题可以为集成电路设计积累经验和智慧。 1 5 主要工作 夺完成多路视频混合i p 的设计工作； 夺完成多路视频混合i p 的评测工作； 夺提出了基于e d a 工具评测i p 软核的具体方法； 夺归纳和讨论了跨时钟域传递数据的各种方法与电路 夺讨论了时钟等全局因素的设计技巧。 1 6 论文结构 第一章是本论文的概述； 第二章讨论多路视频混合i p 的整体功能架构和关键的全局因素； 第三章讨论视频混合模块的设计方法及相关知识； 第四章讨论跨时钟域数据接口模块的设计方法及相关知识； 第五章讨论s d r a m 控制模块的设计方法及相关知识； 第六章阐述i p 核评测方法学并以多路视频混合i p 为例给出评测报告； 第七章是本论文总结与展望。 6 第二章多路视频混合i p 整体设计 本章对多路视频混合i p 的设计规范、整体架构以及关键全局因素进行阐述， 即在系统层面讨论此i p 的设计过程。在后续几章中将分别对多路视频混合i p 中的三个主要模块进行分述，也就是说本章总领后续三章。 2 1 设计规范 设计规范指出了设计的目标，是电路设计的第一步。它不仅是设计的依据， 也是对设计进行验证的依据。本文所说的多路视频是指四路或者少于四路视频 信号，限于篇幅等原因，本文只给出简要的设计规范。 2 1 1 视频混合方式 在多路视频混合i p 中，需要对四路或少于四路视频图像进行透明叠加和色 控混合，这里所说的透明叠加，又称。混合( a l p h a - b l e n d i n g ) 或n 叠加，即混 合后的图像因n 值的不同，而有不同的透明效果。另外一种主要的视频混合方 式，就是色控混合，即根据混合前颜色r g b 值的大小决定混合后的颜色值的大 小。在多路视频混合i p 中要求透明效果可调节，并且能根据混合前颜色值的大 小选择相应的输入视频。 2 1 2 输入视频信号 多路视频混合i p ，要求支持四路或少于四路视频信号输入。各路输入视频 信号描述如下： 一路计算机视频信号，分辨率1 6 0 0 1 2 0 0 ，刷新率6 0 h z ：这路信号从 计算机的d v i 接口输出，系统中利用d v ir e c e i v e r 接收电脑主机的d v i 输出信号；每次传送2 个2 4 位真彩像素值，同时伴有8 0 5 m h z 的随路 时钟； 夺一路目标视频信号，分辨率1 2 0 0 x 1 2 0 0 ，刷新率6 0 h z ：这路信号中， 每个像素用8 位二进制灰度值表示，一次输入6 个像素值( 4 8 b i t s ) 夺两路小窗口视频信号，要求可以在屏幕上显示2 个小窗口，每个窗口分 辨率为5 1 2 5 1 2 ，刷新率为6 0 h z ；要求小窗口位置可以用鼠标在屏幕 上平滑拖动；小窗口信号中，每个像素用8 位二进制灰度值表示，一次 输入6 个像素值( 4 8 b i t s ) 。 7 2 1 3 视频混合过程 在多路视频混合i p 中，对于上文提到的四路视频信号，其混合过程如图2 一l 所示： 蜀筹l 。 刊色控i ：堡兰翌1 混合i 背景视频1 小窗口视频1l 2 2 纠逻辑 j ：! ! 塑翌! l 选择 前景视频1 前景视频2 图2 1 多路视频混合过程 a 混合 最后混合视频 具体而言： ( 1 ) 计算机视频与目标视频信号色控混合 将计算机视频信号和目标视频信号按照具体的色控要求叠加，即当计算机 视频r g b 信号为某些特定值时，显示计算机视频图像，其它值时显示目标视频 图像。 ( 2 ) 背景视频和前景视频的a l p h a 混合 计算机视频图像与目标视频图像混合之后，得到背景视频图像。两个5 1 2 5 1 2 的小窗口视频，经过逻辑选择模块后得到前景视频l 和前景视频2 。小窗 口视频图像必须实现透明、半透明和不透明的效果，所以小窗口视频和背景视 频的混合需要采用a l p l l a 混合技术。 ( 3 ) 小窗口视频的逻辑选择 两个窗1 2 1 视频图像与背景视频图像叠加时，采用两级串行a l p h a 混合技术。 根据a l p h a 混合原理，两个小窗口图像与背景视频图像叠加的次序不同，叠加后 的结果也不同，所以设计中需要利用选择器来选择小窗口视频信号的处理顺序。 透明效果由a l p h a 值的大小以及串行叠加的顺序决定。因此设计中必须定义相 应的寄存器，对叠加顺序进行逻辑控制。 2 2 多路视频混合i p 系统结构 设计规范定义好后，下一步就是系统结构设计，多路视频混合i p 系统结构 如图2 2 所示，其中外部数据为四路输入视频信号，s d r a m 芯片和f i f o 芯 8 片位于f p g a 芯片外部。设计主要是针对现场可编程逻辑器件f p g a 进行，也 就是说设计载体是f p g a 。 图2 2 多路视频混合i p 系统结构图 图2 2 中虚线框内的模块主要有视频混合模块、跨时钟域数据接口模块、 s d r a m 控制模块、p c i 控制模块等。这些模块组合在一起就构成本文所研究的 多路视频混合i p 。由于i p 是在外部坏境作用下进行工作的，因此在系统结构设 计时，需要将外部环境纳入分析讨论范畴。多路视频混合i p 外围部件主要有： 外部信号输入源、外部信号接受端( d v it r a n s m i t t e r r a m d a c ) 、计算机p c i 接 口、f i f 0 芯片等。 2 3 全局问题的考虑 全局问题是相对于子模块中的局部问题而占，它影响i p 中各个子模块。在 多路视频混合i p 设计中，有很多全局问题必须在系统层面进行考虑。接下来讨 论其中四个关键全局因素，它们分别是全局时钟设计、全局时钟建模、全局复 位信号设计以及f p g a 器件选型。 2 3 1 全局时钟设计 在多路视频混合i p 设计中，存在多个不同频率且不同源的时钟，并涉及时 钟切换，因此时钟管理较为复杂，需要在系统层面考虑时钟策略，具体的解决 方案如下： 夺使用f p g a 内部的锁相环p l l ，改善时钟信号的质量，用于产生小数 9 分频时钟，并调整时钟相位和占空比； 夺利用逻辑时序电路产生整数分频时钟，并确保分频后时钟信号的质量； 夺设计特殊逻辑电路来保证时钟在切换时不出现紊乱。 接下来将分别对三种情形进行阐述。 2 3 1 1 锁相环p l l 锁相环，简称p l l ( p h a s e l o c k e dl o o p ) 属于模拟模块，p l l 主要由鉴相 器、环路滤波器和压控振荡器组成，它的主要作用是分频、倍频和改善时钟信 号的质量。另外，为了满足各种时钟管理的要求，锁相环还可以提供以下五种 反馈模式【5 】： 夺正常模式，反馈路径补偿了时钟输入延时和时钟网络延时，使f p g a 输入时钟与内部触发器端的时钟相位相同； 夺零延时模式，反馈路径补偿了时钟输入延时和时钟输出延时，实现了时 钟输入管脚与时钟输出管脚同相位； 夺外部反馈模式，可以保证下游芯片的时钟输入端和f p g a 的反馈输入 端同相位； 夺无补偿模式，反馈路径中没有任何延时单元，不补偿任何路径的延时， 所以这种输出具有最好的抖动性能，这时锁相环的时钟输入端和时钟输 出端同相； 夺源同步反馈模式，它使数据和采样时钟在管脚处的相位关系在i o e 触 发器上得以保持，从而实现输入管脚的时钟与数据中间对齐。 2 3 1 2 分频电路 在设计中，需要用到若干个整数分频时钟，考虑到p l l 资源的有限性，以 及设计的可移植性，需要借助同步数字电路产生整数分频时钟。在数字集成电 路设计中，对于2 的幂方分频器，推荐使用二进制计数器，可以较好的实现， 不推荐使用行波计数器( r i p p l ec o u n t e r ) ，因为尽管行波计数器更节省硬件资源 ( 组合逻辑) ，但是增加了设计实现的复杂度，同时会影响系统的稳定性。 对于2 的非幂方分频器，最简单的方法就是使用状态机，为了使输出时钟 无毛刺，状态编码最好采用独热码( o n eh o t ) ，而其缺点是使用了相对较多的寄 存器资源。为了尽可能克服其缺点，对于非幂方分频器中的偶数分频器，可以 使用改进的二进制计数器的方法实现( 最后二分频电路输出时钟) ；而对于非幂 方分频器中的奇数分频器，则需要对电路进行特殊化简得出，例如设计中用到 的三分频电路。接下来详细讨论多路视频混合i p 中的三分频电路。 0 占空比为l ：2 的三分频电路 要实现这个电路显然要求利用输入时钟的上升和下降沿触发电路。同时为 了尽可能地避免竞争冒险，最好利用寄存器输出最后的分频时钟。图2 4 给出 具体的实现电路： 图2 4 占空比1 ：2 的三分频电路 图2 4 中，r l 和r 2 为同步复位寄存器，它们分别由输入时钟c l k 的上升 沿和下降沿触发，因此它们的输出信号c l k _ q p 和c l k _ q n 的变化相差半个时钟周 期，因此这两个时钟的逻辑与操作生成的信号c l kq ，不会产生毛刺，这与门控 时钟的产生方式相似。 2 313 时钟切换 在多路视频混合中，由于混合模式的变化，需要对两个不同源的异步时 钟进行切换，为了提高系统的稳定性，确保时钟切换时不发生时钟紊乱现象， 设计中使用了图2 5 所示的时钟切换电路f 3 l l ： 豳2 5 时钟切换电路 图2 5 中，寄存器r l 和r 3 分别与其后的逻辑与门组成了门控时钟电路， 该门控时钟电路控制端，分别是寄存器r 0 和r 2 输出端。另外寄存器r 0 和r l 、 r 2 和r 3 组成了准双d 触发器同步器，从而解决了亚稳态问题，具体原理在“跨 时钟接口的设计”的章节中进行分析。显然，以上两个电路复用了d 触发器r l 和r 3 。另外通过反馈电路，确保图中的逻辑或门的输入不会出现冒险，从而避 免最后输出时钟产生毛刺。 2 3 2 全局时钟建模 全局时钟建模，主要是指对时钟的s k e w 和j i t t e r 建模。在集成电路设计中， s k e w 是指时钟偏差，j i t t e r 是指时钟抖动，又称c l o c ks k e w 和c l o c kj i t t e r 。在 集成电路时序分析中，它们的重要性仅次于建立保持时间。如果在设计初始阶 段就为时钟偏