（电路与系统专业论文）基于leon3处理器的数字电视画质增强ip核设计.pdf

摘要 i i h i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i ii i i i i l l l l l l l l l l l l y 2 12 8 15 3 论文题目：基于l e o n 3 处理器的数字电视画质增强i p 核设计一 一 学科专业：电路与系统 研究生：房继军 签名：盔兰避 指导教师：高勇教授 签名：垒罄 摘要 当今时代是数字化、网络化和信息化的时代，伴随着科学技术的飞速发展，数字电 视以其具有视频点播、自选节目源等多元化服务以及数字电视本身具有图象清晰，色彩 鲜艳等特点赢得了广大人民的喜爱。用户对高品质视听生活的不断追求正在加速推动着 模拟电视的数字化进程，数字电视正日益成为现代电视系统的主流。 本文基于3 2 位开源c p u l e o n 3 的s o c 平台完成视频后处理中画质增强部分的设 计，首先介绍了l e o n 3 处理器及所使用的a m b a 2 0 规范中a h b 总线与a p b 总线的区 别。其次诠释了各种色彩空间模型和直方图统计等一些常用的基本概念，通过对经典的 边缘检测、伽马校正和饱和度调整等方法的仿真实验，在这些方法的基础上考虑本系统 的硬件资源和可实现性提出适合本系统的算法流程。 画质增强模块主要包含对比度调整、亮度修正、饱和度调整、色彩空间转换、以及 g a m m a 校正和去噪等处理功能。采用自项向下( t o p d o w n ) 的设计方法，使用v e r i l o g h d l 语言进行编写算法模块并编写a m b a 协议完成画质增强模块的i p 核封装，并在 f p g a 开发板上搭建了视频处理验证平台对完成的画质增强各算法模块进行测试验证。 最终将完成的i p 核通过a m b a 总线与整个后处理s o c 的其它模块进行连接。 实验结果表明，画质增强模块对视频对比度、亮度以及色彩饱和度方面皆有显著改 善效果，该增强模块不只针对某一类特定领域的图像进行增强，不会造成原本具有高品 质画面的图像的色彩信息丢失或清晰度降低。相比以往的画质增强方法具有更广泛的适 用性。 关键词：a m b a ；画质增强；对比度调整；亮度修正；g a m m a 校正 西安理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t 一一 t i t l e = d i g i t a lt vi m a g eq u a l i t ye n h a n c e di pc o r ed e s i g nb a s e do n l e on 3p r o c e s s o r m a j o r ：c i r c u i t sa n ds y s t e m s n a m e = j i j u nf a n g s u p e r v i s o r = p r o f - y o n gg a o a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： t h ep r e s e n te r ai sd i g i t a l ，n e t w o r ka n di n f o r m a t i o na g e ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , d i g i t a lt e l e v i s i o nw i t hi t sv i d e oo nd e m a n d ，d i v e r s i f i e ds e r v i c e ss u c h a sp r o g r a ms o u r c e - d e m a n da n dd i g i t a lt vi t s e l fh a sac l e a ri m a g e ，c o l o r f u lf e a t u r e sw i nt h e m a j o r i t yo fp e o p l ee v e r y w h e r e u s e r so fh i g h q u a l i t ya u d i o v i s u a ll i f eo fc o n s t a n tp u r s u i t d r i v i n gi sa c c e l e r a t i n gt h ep r o c e s so ft h en u m b e ro fa n a l o gt v , d i g i t a lt vi sb e c o m i n gt h e m a i n s t r e a mo fm o d e r nt e l e v i s i o ns y s t e m s i nt h i sp a p e r , t h ev i d e oq u a l i t ye n h a n c e m e n tm o d u l ei s d e s i g n e db a s e do n3 2 一b i t o p e n s o u r c ec p u - l e o n 3 ss o cp l a t f 0 1 1 1 1 f i r s ti n t r o d u c e dt h el e o n 3p r o c e s s o ra n dt h e d i f f e r e n c ea h ba n da p b c h i pb u s t h e ni n t r o d u c e sav a r i e t yo fc o l o rs p a c em o d e la n dt h e b a s i cc o n c e p t so ft h eh i s t o g r a me q u a l i z a t i o n ( h e ) t h r o u g ht h es i m u l a t i o no fc l a s s i c a le d g e d e t e c t i o na l g o r i t h m ，g a m m ac o r r e c t i o na n ds a t u r a t i o na d j u s t m e n tm e t h o de t c c o n s i d e r i n g t h es y s t e m sh a r d w a r er e s o u r c e sa n dt h er e a l i z a b i l i t yw e p r o p o s et h ea p p r o p r i a t ea l g o r i t h mf o r t h es y s t e m q u a l i t ye n h a n c e m e n tm o d u l ec o n s i s t sm a i n l yo fc o n t r a s ta d j u s t m e n t ，l u m i n a n c e a m e n d i n g ，s a t u r a t i o na d j u s t m e n t ，c o l o rs p a c ec o n v e r s i o n ，a n dg a m m ac o r r e c t i o na n d d e n o i s i n gm o d m e u s i n gt o p - d o w n ( t o p - d o w n ) o ft h ed e s i g nm e t h o d ，t h em o d u l e c o d e sa le c o m p l e t e db yu s i n gv e r i l o gh d l ，t h ea m b a p r o t o c o la n dt h ei pc o r ep a c k a g ea r ef i n i s h e d f p g av e r i f i c a t i o np l a t f o r mf o rv i d e oq u a l i t ye n h a n c e m e n ti sb u i l tf o rt e s t i n ga n d v e r i f y i n gi m a g e q u a l i t ye n h a n c e m e n ta l g o r i t h mm o d u l e f i n a l l y , c o n n e c tt h et h ei pc o r eo fe n h a n c e m e n tm o d u l ew i t ht h e o t h e rp o s t - p r o c e s s i n gs o cm o d u l e s e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ev i d e oq u a l i t ye n h a n c e m e n tm o d u l ec o u l ds i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h e i m a g eq u a l i t ya b o u tc o n t r a s t ，b r i g h t n e s sa n dc o l o rs a t u r a t i o n t h ee n h a n c e m e n tm o d u l ei sn o to n l vs u i t a b l e i i i 西安理工大学硕士学位论文 f o rap a r t i c u l a rt y p eo fi m a g ei ns p e c i f i ca r e a sa n di tw i l ln o tc a u s et h eo r i g i n a li m a g ew i t hh i g hq u a l i t y l o s t i n gc o l o ri n f o r m a t i o no rr e d u c i n gc l a r i t y t h e r e f o r e ，c o m p a r e dt ot h ep r e v i o u sm e t h o dh a sb r o a d e r a p p l i c a b i l i t y k e y w o r d s ：a m b a ；v i d e oq u a l i t ye n h a n c e m e n t ；c o n t r a s ta d j u s t m e n t ；l u m i n a n c e a m e n d i n g ；g a m m ac o r r e c t i o n 目录 摘 要i a b s t r a c t i j j 1 前言1 1 1课题背景及研究意义1 1 2 国内外研究现状3 1 3 课题研究内容5 1 4 论文章节安排5 2 s o c 平台及a m b a 总线7 2 1 l e o n 3 处理器7 2 2l e o n 3s o c 平台的组成8 2 3 a m b a 总线9 2 3 1 a m b a 总线概述一9 2 3 2a h b 总线lo 2 3 3a p b 总线1 1 2 4l e o n 3 视频后处理系统a m b a 总线1 3 3 视频画质增强技术及算法分析1 7 3 1 画质增强模块处理流程17 3 2 色彩空间模型1 7 3 2 1 y u v 色彩空间18 3 2 2r g b 色彩空间1 9 3 2 3h s v 色彩空间2 0 3 3 常用画质增强处理技术2 1 3 3 1 传统直方图均衡2 1 3 3 2亮度调整2 3 3 3 3 伽马校正2 5 3 3 4 彩色图像饱和度调整2 6 3 3 5 边缘检测与边缘增强2 8 4 画质增强模块的设计及仿真3 3 4 1 彩色图像白适应对比度增强算法3 3 4 1 1 色彩空间的选择3 4 4 1 2 对比度调整3 4 4 1 3 动态范围调整3 6 4 1 4 亮度修正和色饱补偿3 6 4 1 5 算法的m a t l a b 仿真和结果分析3 7 4 2 增强模块的逻辑设计与仿真3 9 西安理工大学硕士学位论文 4 2 1 色彩空间转换模块的仿真3 9 ，4 2 2 直方图统计和分类对比度调整模块仿真4 2 4 2 - 3 动态范围调整模块仿真4 3 4 2 4 自适应亮度调整模块仿真4 3 4 2 5 对比度增强模块联调4 4 4 3 去噪模块的设计一4 7 4 3 1去噪算法选择4 7 4 3 2 去噪模块的仿真4 9 4 4 总线模块的设计与仿真一5 0 5 f p g a 验证及结果5 5 6 总结及展望一5 9 6 1 本论文的总结5 9 6 2 论文工作的展望- 5 9 致谢6 1 参考文献6 3 i i 前言 1 前言 1 1 课题背景及研究意义 当今时代是数字化、网络化和信息化的时代，科学技术飞速发展的同时，我们熟知 的电视领域也在发生着前所未有的技术革命，电视传媒的数字化和网络化在这场革命中 得到深刻体现。随着科学技术的巨大进步、用户对高品质视听生活的追求加速推动着模 拟电视向数字电视转化。数字电视在当今集数字信号处理、数字图象处理以及传输等先 进技术于一身，代表着现代电视机的发展方向，因而日益成为现代电视系统的主流。 自电视机技术发展以来从最早的黑白电视机到彩色电视机、从模拟电视机到数字电 视机、目前的标清电视机( d t v ) 到高清电视( h d t v ) ，整个电视机的发展历程反映了 现代电子科学技术在数字信息处理以及多媒体技术方面的发展与日俱进。数字高清电视 相比传统模拟电视拥有清晰的画面和音质，给人们的视听生活带来更高的享受，当然长 远的发展相关电视厂商在研究3 d 数字电视，3 d 数字电视则带给人们立体的感受，更加 贴近于生活，使人身临其境。 传统模拟广播电视存在一系列问题与缺陷不能满足人们对高品质视听生活的不断追 求，模拟电视接收信号处理框图如图1 1 。模拟电视存在的主要问题如下： 模拟 图1 - 1 模拟电视接收机信号处理框图 f i g 1 1 t h es t r u c t u r eo fa n a l o gt vr e c e i v e rs i g n a lp r o c e s s i n g 模拟电视图像清晰度差，存在严重的亮色干扰、闪烁分块现象，节目源无法实现重 复复制； 模拟电视受带宽限制影响相当大，模拟p a l 制电视在8 m h z 带宽内只能传送1 路模 拟视频信号和l 路模拟音频信号，由于同频干扰及邻频干扰，对于大量电视频道的使用 相对困难； 模拟电视抗干扰能力差，传输过程容易产生噪声，使信噪比逐步降低，图像损伤逐 步严重，难以完成远距离的节目传输； 模拟电视接收端可靠性差，存在时域混叠、调节复杂、难以集成并且难以实现自动 控制的缺点。 在模拟电视技术向数字电视技术发展的过程中，由于某些环节的技术难点，在此阶 段则出现了半数字电视产品，也成为数字化电视技术，如图1 2 所示其输入视频源为模 西安理工大学硕士学位论文 拟电视信号。经过一系列的a d 转换器来实现数字化，这种不属于完全的数字化电视技 术。 图1 , 2 数字电视接收机信号处理框图 f i g 1 - 2t h es t r u c t i 黼o f d t vr e c e i v e rs i g n a lp r o c e s s i n g 真正意义上的数字电视系统如图1 3 所示，从一开始的电视节目的录制：剪辑、特 效处理、数据传输、视频接收的全部过程都采用数字处理技术与数字传输技术。然而， 目前由于某些环节的技术问题导致电视领域发展现状是：电视节目从现场采集到观众接 收的全过程中，大部分环节使用了数字化技术，只是在其中某些环节上，并没有完全采 用数字技术，如有线电视信号传输和用户接收这两个环节，大多数仍然采用模拟处理技 术，因而数字电视仍然需要一定的时间来发展和完善。只有实现了电视节目从采集到用 户接收全过程的数字化，才是名副其实的数字电视 1 1 。 = = = = = 节 1 - 。传。 ：- 信 舜_ +锎蛹磕矾1 阢；，k ： 目，q 调j i 。_ _ _ _ = _ 目 ： 越谴 信道l r 制 刊音频编码卜一l 复 i 奢 编 _ - ；i 誊曩 i 殳 届 _ _ n o _ j 器 用用 码 一 o o o 一_ e 信 _ i ；藏盼卜i 至配 调解 一 解 道i 谐复 f | f _ _ _ _ 一 _ =_ 叫膏额解码卜叫音响i解 器器 用 = = = 码 i 一，强】，口 视频 音频 图1 - 3 数字电视系统结构框图 f i g 1 3t h es t r u c t u r eo fd i g i t a lt e l e v i s o ns y s t e m 正如图1 3 所示数字电视在信号处理方面采用了一些比较先进的数字技术，与模拟 电视相比，它具有以下优点1 2 1 ： 数字电视采用倍行、场扫描技术，可以有效消除模拟电视5 0 场秒扫描产生的闪烁 感和分块，可以更好的进行视频欣赏； 采用数字技术处理可以制作许多画面特效，提高节目的艺术性，提高观众的视觉冲 击； 2 前言 数字电视采用了数字梳状滤波算法，可以将亮度信号与色差信号完全分离，从而消 除了亮色分量的相互串扰； 数字电视易于实现根据显示器屏幕尺寸不同选择不同分辨率等级接收的功能； 数字电视易于实现画中画、画外画、视窗放大、多视窗、静止画面以及特效功能； 便于实现数据加密解密处理，有利于实现和拓展各类收费业务，使个性化节目和特 殊节目在服务中方便实现。 随着数字电视技术的不断创新，带给人们极大丰富的视听盛宴，从2 0 年代的黑白电 视机到5 0 年代的彩色电视机，再从模拟电视机发展到今天的数字电视，毫无疑问这一切 是技术进步的表现，并且如今正在从标清往高清过度。整个发展过程中广播电视行业多 种标准和格式的制定为该领域制订了统一的规范，其中有常用的p a l ( 逐行倒相) 制， n t s c ( 美国国家电视标准委员会) 制，并且根据数字电视图像清晰度而划分的 s d t v ( s t a n d d e f i n i t i o nt v ) 和h d t v ( h i g h d e f i n i t i o nt v ) 因此高品质的音响效果，和高清 晰的画质无疑是我们现阶段的奋斗目标。 1 2 国内外研究现状 目前，国外电视信号处理比较有名的公司有p h i l i p s ，t r i d e n t 3 1 ，g e n e s i s 1 等 公司，这些公司的产品覆盖及其的广泛，技术也是相当的成熟。画质增强处理常用电路 有两种：一种是将画质增强功能集成在图像处理与控制电路中，像g e n i s i s 公司推出的平 板电视处理芯片；另一种是独立的功能芯片，如日本的k a w a s a k i 、j e p i c o 5 1 等公司推出 的基于f p g a 的电视画质增强专用芯片，其中j e p i c o 公司推出的l 0 0 3 增强芯片，其内 部具有画质增强功能，内部主要包括：对比度、亮度调节、色度饱和度调节、分辨率调 整、自适应动态峰、l t i 、c t i 、黑电平扩展等1 。图1 4 为j e p i c o 公司的视频画质增 强芯片结构框图。 图1 - 4j e p i c o 公司的视频画质增强芯片结构框图5 1 西安理工大学硕士学位论文 f i g 1 4t h es t r u c t u r eo f j e p i c o sv i d e oq u a l i t ye n h a n c e m e n tc h i p 5 1 国内的有杭州国芯公司的g x 2 0 0 1 系列和创维公司的六基色技术都主要以格式转换、 图像信息提取、图像特征分析、去隔行、多画面、去抖动、噪声抑制、图像输出控制为主 要功能来达到增强画质的目的。高校方面的研究机构主要有上海交通大学，浙江大学f 7 1 和西安交通大学1 9 1 都设有专门实验室对视频后处理进行研究。国内在这方面技术的研 究属于起步阶段，有待于进一步的提高。 g x 2 0 0 1 支持多种格式的视频输入信号，兼容p a l 制式和n t s c 制式的视频信号。 采用边沿检测和运动补偿的算法完成对视频信号的帧率变换、去隔行和画质增强。经过 g x 2 0 0 1 芯片的处理将它们转换成逐行的视频输出信号，输出的信号既可以是模拟信号也 可以是数字信号，同时满足模拟显示设备和数字显示设备作为显示终端的要求。 g x 2 0 0 1 内部集成了彩色空间变换、图像增强、去隔行、噪声抑制、内存控制和d a 转换、帧率变换等多种功能。输入的视频数据通过去噪处理和边缘检测，利用补偿算法对 视频图像进行插值，从而得到低噪声、无锯齿的逐行视频图像1 1 0 1 。 冒占占 萤董蓍重霎耋霎 ；jjj 7 ：0 】一 色彩输出 7 ：0 j 一 格式亮色s d r a mc a c 脏 7 ：0 】一 转换提取 接口 控制 空间转换 ，】h s 一 一 ，v s - i b 同步 画质同步 c l k 一 检测 九画面 内部c a c 脏 增强生成 输入单元存储单元显示单元 ；e l o l i d ；e l l -可编程 帧率变d | a c l 单元 l 锁相环l 降噪 换 变换器 d a 晶振 电路 边缘 t a i 去隔行 检测 t a o -_ 时钟单元运算单元 图1 5 视频后处理芯片系统框图 f i g 1 5t h es t r u c t u r eo fv i d e op o s t - p r o c e s s i n gc h i p 但目前研制出的视频画质增强芯片都存在一定的局限性，其处理算法多针对传统的 灰度图像提出的，即适合大部分场景下的图像，然而对一部分图像的处理效果不是很好 或会起到损伤原始图像信息的反作用，如对比度调整就是一个比较细致的处理过程，单 独的仅仅依靠对比度调整不会对画质起到明显改善，必须用一些辅助的处理方法对调整 后的图像进行完善。因此鉴于目前的处理效果不是很理想，有待于进一步研究改善经过 多个环节协调作用，使得处理后的视频满足人类高品质视听生活的迫切需求。 4 前言 1 3 课题研究内容 本课题在研究已有的技术和算法基础上完成视频画质增强系统的设计，并通过改进算 法来设计符合本系统的画质增强模块。主要设计内容如下： 通过m a t l a b 仿真常用的画质增强算法并提出适合本系统的增强算法。 设计视频降噪模块，对传输进来的视频进行降噪处理，才能保证后续处理尽可能小 的信息丢失。 设计色彩空间转换模块，可以很大程度上提高处理质量和实现算法的简洁性。 设计边沿检测及边沿增强模块，图像的边沿信息进行增强确保后边处理保留充分边 沿信息。 设计对比度、亮度、色度调整及g a m m a 校正模块，调整这些参数很大程度上提高 视频质量。 设计画质增强模块的a m b a 总线协议的接口模块，与整个系统连接并仿真。 1 4 论文章节安排 本文主要完成了基于l e o n 3 处理器的视频画质增强i p 核设计，论文主要从以下几 个章节来进行陈述： 第一章是前言部分，首先叙述了课题的研究背景和意义，分别说明的数字电视目前 的发展状况以及视频画质增强技术的国内外研究现状，并阐明了课题的研究内容。 第二章是视频后处理s o c 的处理器进行简单介绍以及对所用的编译工具和调试工 具作了介绍，其次对系统的a m b a 协议下的a h b 总线和a p b 总线作了介绍说明，从 而为后续章节编写画质增强算法i p 核与系统的a m b a 协议接口作准备。 第三章是对目前常用的画质增强技术和增强算法做了m a t l a b 仿真和分析，在比较的 同时提出适合本系统适用的画质增强思想体系，阐述基本的色彩空间并对直方图均衡、 边沿增强和饱和度调节各自常用的几种方法做了仿真比较，为整个画质增强体系选定了 有效的处理模块。 第四章是通过第三章的增强技术仿真分析提出本文的自适应对比度增强算法，对算 法做了详细介绍并在m a t l a b 中与传统方法的仿真结果进行比较。并对该增强算法进行 r t l 级设计和仿真，通过仿真与m a t l a b 进行结果比较。最后对去噪模块的设计和仿真以 及对整个画质增强模块进行a m b a 总线接口设计和仿真。验证了整个画质增强模块设计 的正确与合理性。 第五章是通过a l t e r ae p 2 c 7 0 6 7 2 c 8 开发板搭建的视频算法验证平台来对画质增强各 算法模块进行f p g a 验证。 西安理工大学硕士学位论文 6 第六章是对论文工作的总结和对后期工作的展望。 s o c 平台及a m b a 总线 2s o c 平台及a m b a 总线 2 1l e o n 3 处理器 l e o n 3 川1 是g a i s l e rr e s e a r c h 公司于2 0 0 4 年底和g r l i b 开始研制的一款3 2 位、 兼容a m b a 协议的处理器i p 核。如图2 1 所示l e o n 3 内核结构图，与l e o n 2 处理器 相比，l e o n 3 的第一个显著不同是在相同工艺的时候，其运行速度比l e o n 2 更高，速 度大概提高了l 3 。另外一个显著不同的特点是支持对称多处理( s m p ) ，最多同时可以 支持4 个处理器。除此之外，对工艺库特别是f p g a 的支持也比l e o n 2 的要丰富的 多，在目前公开的可以得到的版本中，除以往的版本集成了对x i l i n x 的f p g a 支持、目 前还增加了对a l t e r a 、a c t e l 和l a t t i c e 的f p g a 的支持1 1 2 1 。l e o n 3 的性能优越性不亚于 m i p s 、a r m 等嵌入式处理器。其内部资源均可以进行配置，主要应用于嵌入式系统中， 可以用可编程逻辑器件( f p g c p l d ) 和专用集成电路( a s i c ) 等技术来完成系统的 设计。 a m b aa h bm a s t e r 图2 1l e o n 3 处理器内核结构框图 f i g 2 1t h es t r u c t u r eo fl e o n 3p r o c e s s o r l e o n 3 处理器片上资源如下： ( 1 ) 分离的指令和数据c a c h e ； ( 2 ) 硬件乘法器和除法器； ( 3 ) 中断控制器； d e b u gs u p p o r tu n i t i n t e r r u p tc o n t r o l l e r 西安理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 跟踪缓冲器调试支持单元( d s u ) ； ( 5 ) 2 个2 4 位定时器： ( 6 ) 2 个通用异步串口( u a r t ) ； ( 7 ) 低功耗模式，看门狗电路； ( 8 ) 1 6 位的i 0 端口，灵活的存储控制器； ( 9 ) 以太网m a c 控制器和p c i 接口。 l e o n 3 采用b c c 3 1 交叉编译器允许任务和非任务c c + + 程序的编译，支持硬件和 软件浮点的操作、s p a r cv 8 乘除指令。b c c 还可以用来编译e c o s 内核。并且调试时 侯使用g r m o n 1 4 1 相当于串口调试助手，是针对于l e o n 系列处理器以及基于g r l i b i p 库的s o c 设计的通用调试监控器。 l e o n 3 的应用相比l e o n 2 还不够成熟，其标准版的f p g a 实现l e o n 3 移植已经 有很多公司和大学机构在研究，在a s i c 实现方面，由于l e o n 3 研究应用时间相对较短、 潜在b u g 可能相对较多，截至目前为止，l e o n 3 还在研发中，并且有多家公司和研究 机构正在尝试流片，但是还没有流片成功的报道，除此之外l e o n 3 容错版也没有流片 成功的公开报道。 2 2l e o n 3s o c 平台的组成 本文的l e o n 3 视频画质增强s o c 系统如图2 2 是在l e o n 3 最小系统的基础上搭 建满足视频处理需要的平台，并加上视频画质增强算法模块1 1 5 1 图中红色线圈起来的模 块。 图2 - 2l e o n 3 视频后处理s o c 系统框图 f i g 2 - 2t h es t r u c t u r eo f t h ev i d e op o s t - p r o c e s s i n gs o cp l a t f o r m s o c 平台及a m b a 总线 在本系统中，除了l e o n 3 处理器及基本的外设如定时器、通用异步串口、p c i 接口、 通用输入输出接口和调试单元还有a m b a 总线控制器包括a h b 总线控制器和a p b 总 线控制器以及a h b a p b 桥，搭建视频后处理系统需要有缓冲视频流的s d r a m 和高效 率搬运数据的d m a 控制器，以及视频显示终端l c d 模块或v g a 模块。这些是完成整 个视频后处理所必须的验证平台，在此基础上开发视频后处理算法i p ，本课题主要完成 画质增强部分的算法i p 核，其中主要包括，对比度调整，亮度修正，伽马校正和动态范 围调整。在选定a m b a 总线规范的基础上，a h b 和a p b 总线对算法i p 模块传输数据 和配置模块寄存器，通过对在总线上的视频流进行分析处理并与其他i p 模块衔接完成视 频的画质增强和显示。 本文的视频画质增强s o c 构架框图如图2 2 所示，整个系统全部采用a m b a2 0 总 线规范，所有i p 核通过a h b 总线和a p b 总线进行互连和通信。a h b 总线和a p b 之间 通过a h b a p b 桥完成通信。a h b 总线主要连接c p u ，存储器控制器，调试模块等高 性能设备，而a p b 总线连接键盘，通用异步串口，通用输入输出接口等低速能设备。该 系统总线上的调试模块支持串口和以太网调试，可通过调试工具g r m o n 利用串口对系 统进行调试。该系统通过s d r a m 完成视频数据的缓存，通过a m b a 使得数据在各i p 模块问传输，d m a 可以不经c p u 干预高效率地将数据在两个处理模块之间传输，视频 画质增强模块完成对比度增强、亮度、色度、伽马以及动态范围调整，最后控制l c d 将处理过的视频数据显示出来。相关调试信息会通过串口返回到调试工具上，可以观察 系统模块的连接信息和系统的运行情况。 2 3a m b a 总线 2 3 1 a m b a 总线概述 s o c 设计是基于i p 核复用基础上通过一系列总线和总线控制器将一些具有某种功 能的i p 核连接起来具有特定功能的完整系统。因此，只有在设计过程中遵循特定的总线 规范来设计i p 核接口才能保障设计的i p 核具有可方便多次使用的特性，从而为s o c 设 计人员提供很大的便利，有效加快新产品开发和降低研发成本1 1 6 1 。当前，比较有影响的 公司的总线规范有s i l i c o r ec o r e 公司提出的w i s h b o n e 总线，a l t e r a 公司提出的a v a l o n 总线和a r m 公司提出的a m b a 总线。a m b a ( a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ) 总线的出现是为了要制定统一的片上系统总线使用规范，受到众多科研机构和i c 设计公 司的青睐，目前业内a m b a 规范接口的i p 核占有相当大的市场量，以其具有高速率、 低功耗、通用性强的特点被广泛应用于工业领域中，已经成为一种成熟流行的工业标准 的s o c 总线结构。 a m b a2 0 规范包含三种总线以方便设计者针对不同的应用场合和外围设备设计 9 西安理工大学硕士学位论文 出高品质的嵌入式系统，三种总线包括：a h b ( 高性能) 总线，a s b ( 系统) 总线，a p b ( 低速外围设备) 总线。如图2 3 所示1 1 7 1 其中定义的a h b 总线为高时钟频率的高速 度总线模块，它支持系统处理器和测试接口，提供高速率、高可靠性的操作。a p b 总线 则适用于实时性要求低的外围设备，具有低功耗和低复杂度的低速总线模块，它可以通 过趾 b a p b 桥与系统其它a h b 总线连接的模块进行数据交换。a s b 是a m b a 规范版 本中早期的系统总线，后来逐渐被a h b 总线所替代。a m b a 以其协议规范的开放性得 到越来越多s o c 设计者和i p 核设计者的广泛使用。 a m b a a h b 乖高性能 宰通道操作 木多总线主机 宰突发传输 木分割传输 2 3 2a i - i b 总线 图2 3 典型a m b a 系统 f i g 2 3t h es t r u c t u r eo ft t y p i c a la m b as y s t e m a m b a a p b 书低功耗 宰地址锁存和控制 木接口简单 木适合大多数外设 a m b a 规范的a h b 总线结构可以包含一个或多个主机如图2 - 4 所示 1 9 l 可分为 a h b 主机( m a s t e r ) ，a h b 从机( s l a v e ) ，a h b 仲裁器( a r b i t e r ) ，a h b 译码器( d e c o d e r ) ， a h b 多路选择器( m u x ) ，a h b 虚拟主设备和a h b 缺省从设备。通常处理器、a m b a 控 制器、以太网控制器、l c d 控制器、直接数据存储器以及片外存储都接在a h b 高速总 线上。 1 0 s o c 平台及a m b a 总线 图2 - 4 典型的a h b 总线结构框图 f i g 2 - 4t h es t r u c t u r eo f a h bb u s 当总线上有多个a h b 总线主机的情况下，需要设计仲裁器来决定某一时刻哪一个 主机被选定发出读写请求；同样，总线有多个a h b 总线从机的情况下需要设计译码器 来传送地址并译码决定是向哪个从机发出的命令，当从机接收到命令后作出相应反应。 因此在a m b a 规范a h b 总线模块传输开始前总线主机向仲裁器发出一个总线使用请求 的信号，仲裁器接收到总线请求信息时判断总线是否处于空闲状态以及该设备是否可以 使用总线，如果可以则授予使用权，然后a h b 总线主机输出地址和控制信号到从机， 整个传输过程通过仲裁器监控完成。从机由译码器经过地址译码来选择相应的从机来响 应主机的传输请求，实现数据的传输，同时向总线主设备反馈传输响应状态信息，分别 有传输进展正常、传输发生错误并失败、重新传输和传输不能立刻完成等状态。 2 3 3a p b 总线 a m b a 规范的a p b 总线主要用来连接窄带宽的低性能设备如通用输入输出接口， 键盘，通用异步串口等外设。a p b 总线的设计是基于a h b 总线的基础上以减少功耗和降 低接口复杂度为目的，a h b a p b 桥作为a p b 总线上仅有的一个主设备，相比a h b 总 线则可以有多个主设备，同样a p b 总线可以连接多个从设备。a h b a p b 桥作为整个系 统不可缺少的部分，用以完成a h b 总线与a p b 总线之间协议和格式的转换，协调c p u 与总线外设之间的数据通信以及总线上模块参数的寄存器设置。 a p b 总线模块内部工作状态如图2 5 所示t 1 8 1a p b 总线模块开始工作时首先初始 西安理工大学硕士学位论文 化为空闲状态，此刻模块处于传输等待状态，a p b 模块中没有数据传输和模块使能信号 产生，并且从机选择信号此刻无效为低电平没有确定任何从模块，从机使能信号无效为 低电平。随着p c l k 周期，a p b 总线模块检测到有数据需要传输时则跳出当前初始等待 状态进入传输建立状态，在下个p c l k 上升沿到来时进入传输使能状态，并且此刻a p b 总线从机选择信号有效为高电平，选择传输的从模块，从机使能信号仍然无效为低电平。 进入传输使能状态时总线的读写使能信号保持不变，从机选择信号和从机使能信号有效 置高，持续一个时钟周期，总线传输完成后则进入等待状态，如果还需要继续传输则进 入传输建立状态进行下一次的传输否则进入初始状态等待下一次传输。 n ot r a n s f e r n ot r a n s f e r t r a n s f e r 图2 5a p b 总线操作状态图 f i g 。2 5t h es t a t ed i a g r a mo f a p bb u so p e r a t i o n a p b 桥的主要作用是搭建a h b 总线上各模块与a p b 总线上各个模块之间的通信枢 纽，通过控制总线模块从机选择信号和模块从机使能信号以及读写控制信号来完成 a h b 总线上挂接的设备与a p b 总线上的设备之间的数据传输如图2 - 6 所示。在本s o c 系统中设置画质增强处理模块中的阈值( t h r e s h o l d ) 和d m a 模块的传输字节长度( b g e s i z e ) 以及传输起始地址( c u r f r a m e a d d r ) 都是需要通过a p b 总线上的u a r t 模块将设 置参数通过a h b a p b 桥传输到高速总线上的画质增强模块和d m a 模块相应的寄存器 中。同时将a p b 总线上键盘和低速外设的响应状态传送至a h b 总线上的模块。 1 2 s o c 平台及a m b a 总线 图2 - 6a h b a p b 桥的结构框图 f i g 2 6t h es t r u c t u r eo f a h b a p bb r i d g e a h b a p b 桥所实现功能： 在整个传输过程中一直保持地址锁存 地址译码并且产生总线外围设备的高电平选择信号。在一次传输过程中只能有一个 选择信号有效 驱动数据进入低速外围设备总线来完成写操作 驱动低速外围设备总线数据进入系统来而完成读操作 产生高电平从模块选通信号来进行传输 2 4 l e o n 3 视频后处理系统a m