圖 1 顯示了 IPTV 的系統(tǒng)框圖,。輸入傳輸流可以是任何編碼形式如 DVB -ASI，MPEG2 或SDI,，他們通過(guò)用多格式解碼器（multi-format CODEC）傳輸,，轉(zhuǎn)換成(即解碼或重解碼)成H.264 傳輸流。經(jīng)編碼的傳輸流用通道信息封裝并通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送,。在接收路徑,，到來(lái)的傳輸流在顯示之前要進(jìn)行解碼和后處理，例如降噪,、顏色增強(qiáng),，縮放，去隔行等,。

 

    圖 2 顯示了一個(gè)用于電影制作和攝影棚的 HD(高清)專(zhuān)業(yè)相機(jī)的系統(tǒng)框圖,。捕獲到的圖像經(jīng)過(guò)一個(gè)圖像處理器，進(jìn)行色彩處理,、亮度提高,、數(shù)碼縮放、幀速率轉(zhuǎn)變等等。圖像處理單元通常使用一個(gè)基于 FPGA 的設(shè)計(jì),，由于大部分的圖像處理是專(zhuān)有的,，會(huì)經(jīng)常發(fā)生變化。應(yīng)用處理器管理與其它設(shè)備的通訊以及壓縮并存儲(chǔ)捕獲到的內(nèi)容到海量存儲(chǔ)(HDD),。應(yīng)用處理器也有一個(gè)圖形引擎來(lái)進(jìn)行屏幕顯示(OSD),，它和進(jìn)來(lái)的視頻混合后顯示。

從上述例子中,，我們可以看到數(shù)據(jù)處理包括兩種類(lèi)型：

1) 幀同步:

   在一些任務(wù)中需要幀同步（例如,，通過(guò)以太網(wǎng)傳輸和接收時(shí)，當(dāng)碼流速度不斷變化而解碼器需要一個(gè)恒速的傳輸流）,。雖然存儲(chǔ)器對(duì)同步的要求似乎很小,，但當(dāng)涉及到多個(gè)碼流時(shí)它可能很顯著。這種同步可以由一個(gè)異步 FIFO 實(shí)現(xiàn),。

2) 幀存儲(chǔ):

    幀存儲(chǔ)在這些地方需要：任何暫時(shí)的處理如幀率轉(zhuǎn)換,，數(shù)碼變焦(縮放)，或執(zhí)行去隔行,。儲(chǔ)存的幀數(shù)量隨著需要的臨時(shí)信息數(shù)目增加而增加,。當(dāng)視頻數(shù)據(jù)按照本來(lái)的順序時(shí)，幀緩存也必須是“先進(jìn)先出”,。

高密度FIFO -傳統(tǒng)的實(shí)施和及其復(fù)雜性,。

    幀緩存就是高密度 FIFO，傳統(tǒng)上使用外部 DDR SDRAM 實(shí)現(xiàn),。舉例說(shuō)明一個(gè)典型的視頻處理應(yīng)用和這些 FIFO 如何實(shí)現(xiàn),。

 

    圖3顯示了一個(gè)典型情況的數(shù)據(jù)路徑，有4種不同來(lái)源的視頻流需要顯示在同一個(gè)顯示器上,。四個(gè)以 1080p60(24 位 RGB)分辨率捕捉視頻的高清相機(jī)使用一個(gè) cameralink 接口連接到系統(tǒng)上,。色彩空間轉(zhuǎn)換  (從 RGB 到 YCbCr)及色度采樣降低（從 4:4:4 到 4:2:2）后，橫向和縱向幀按比例減少，并儲(chǔ)存在 DDR2 SDRAM 里,。存儲(chǔ)的幀可以按要求讀回和定位,，結(jié)果幀和融合幀然后提高采樣速度和色彩空間轉(zhuǎn)換為通過(guò) LVDS 連接來(lái)驅(qū)動(dòng)面板。

   讓我們看看存儲(chǔ)器大小和帶寬要求: 

(i)大小要求:

    盡管這里沒(méi)有涉及到時(shí)間處理,，為了避免一個(gè)源的兩幀被分開(kāi)儲(chǔ)存,，這樣當(dāng)一幀正在寫(xiě)時(shí)，另一個(gè)幀可能要讀回來(lái),。兩幀圖像的大小是((1920 * 1080* 16)/ 4)* 2 ~ = 63.3M 位,。

(ii)帶寬要求

   由于讀和寫(xiě)路徑為復(fù)用的，所需帶寬是讀,、寫(xiě)路徑帶寬之和,。

(iii)內(nèi)存接口大小和 I / O 需求:

    當(dāng)畫(huà)面以 16 位 4:2:2 格式存儲(chǔ)時(shí),，一個(gè) 16 位接口就足夠了。根據(jù)計(jì)算,，F(xiàn)PGA的 I/O 總數(shù)的為 46：

   地址引腳(14 個(gè)地址線、3 個(gè) bank 地址線)= 17 引腳

   數(shù)據(jù)線(X16 接口)= 16 引腳

   數(shù)據(jù)選通及分離(4 個(gè)引腳用于 2 微分 DQS,，2 個(gè)用于分離數(shù)據(jù))= 6 引腳   

高密度 FIFO -離散的存儲(chǔ)器: 

    現(xiàn)在讓我們看看使用離散可編程高密度 FIFO 的實(shí)現(xiàn)方式和特性定義,，這樣 DDR2 SDRAM存儲(chǔ)器就可以由簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)便可以由簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)代替。

(i)多隊(duì)列特點(diǎn):

    如果 FIFO 存儲(chǔ)器定義為一個(gè)單一塊的內(nèi)存,，那么寫(xiě)多個(gè)視頻流是不可能的,。因此，F(xiàn)IFO 必須能夠配置并分成多個(gè)隊(duì)列,。在上文的例子中,，有四種不同的畫(huà)面要寫(xiě)，并且四個(gè)幀必須同時(shí)從不同的隊(duì)列同時(shí),。因此,，我們的應(yīng)用需要至少八個(gè)隊(duì)列,。

(ii)分離和重傳:

    有可能從一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 FIFO 曾經(jīng)讀過(guò)的數(shù)據(jù)又從 FIFO 丟失了。FIFO 指針可以重新編程,，允許任何幀都可以根據(jù)需求多次讀出,。

     圖 4 顯示了賽普拉斯 CYFX072VXXX  HD-FIFO 的框圖。

 

 

    圖 5 給出了使用賽普拉斯 HDFIFO 替代 DDR2 芯片的應(yīng)用案例,。

    讓我們?cè)賮?lái)看看存儲(chǔ)器大小和帶寬要求: 

(i) 大小要求:

     存儲(chǔ)器大小和 DDR2 SDRAM 的相同,，為兩幀圖像的大小((1920 * 1080 * 16)/4)* 2 ~ = 63.3M 位。

    由于讀和寫(xiě)路徑是分立的,，讀,、寫(xiě)的工作頻率可以不同。這相對(duì)于 DDR2 SDRAM 來(lái)說(shuō)有很大的優(yōu)勢(shì),。

    寫(xiě)路徑頻率=(每個(gè)客戶端頻率)*( 客戶端數(shù)量)=(148.5/4 )* 4 = 148.5MHz

    讀路徑頻率=輸出幀分辨率頻率= 148.5MHz,。

   實(shí)際的工作頻率對(duì)于讀和寫(xiě)來(lái)說(shuō)為單一的數(shù)據(jù)頻率 148.5MHz，這里沒(méi)有額外的開(kāi)銷(xiāo),，如 DRAM 存儲(chǔ)器刷新周期和 bank 地址切換,。

(iii)內(nèi)存接口大小和 I / O 需求:

     當(dāng)畫(huà)面以 16 位 4:2:2 格式存儲(chǔ)時(shí)，一個(gè) 16 位接口就足夠了,。根據(jù)計(jì)算,，F(xiàn)PGA的 I/O 總數(shù)的為 48：

    時(shí)鐘引腳(1 個(gè)用于寫(xiě)時(shí)鐘，1 個(gè)用于讀時(shí)鐘)= 2 引腳

    命令引腳(寫(xiě)使能,，讀使能,，輸入使能，輸出使能,，3 個(gè)引腳用于選擇哪 8 個(gè)隊(duì)列寫(xiě),，3 個(gè)引腳用于選擇哪 8 個(gè)隊(duì)列讀，1 個(gè)引腳用于分離,，1 個(gè)引腳用于傳輸)= 12 引腳

    數(shù)據(jù)引腳(16 個(gè)引腳用于寫(xiě)數(shù)據(jù),，16 個(gè)引腳用于讀數(shù)據(jù))= 32 引腳

   標(biāo)志(1 個(gè)引腳用于空標(biāo)志，1 個(gè)引腳用于滿標(biāo)志)= 2 引腳

   

結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn):

(i) 由于讀和寫(xiě)路徑是分開(kāi)的,，沒(méi)有其它操作開(kāi)銷(xiāo),，操作頻率可以降低一半以上，這些都是很顯著的優(yōu)勢(shì),。

(ii)由于使用的是 SDRAM 控制器，不需要仲裁機(jī)制,，F(xiàn)PGA 內(nèi)部邏輯變得更簡(jiǎn)單,。

(i) 信號(hào)開(kāi)關(guān)頻率降低一半以上，允許增加建立時(shí)間余量,，相對(duì)于 DDR2 來(lái)說(shuō)沒(méi)有嚴(yán)格的輸出同步要求,。

(iv) 設(shè)計(jì)里時(shí)鐘域的數(shù)量減少了,，因此降低了相關(guān)時(shí)序切換和交叉時(shí)鐘域的問(wèn)題。

電氣優(yōu)點(diǎn):

(i)減少了信號(hào)切換頻率,，從而減少了線路板上的開(kāi)關(guān)噪聲,。

(ii) HD‐FIFO 的 IO 邏輯可以是任何 LVCMOS 接口，相對(duì)于 DDR2 SDRAM 的 SSTL2 邏輯有更大的噪聲冗余,。

節(jié)省成本:

在高端 FPGA 的解決方案中使用 HD FIFO 可以節(jié)省 FPGA 資源,，具體如下：

(i) SDRAM 控制器，降低了所需的存儲(chǔ)器,，I/O,，和邏輯

 (ii)視頻處理功能，這些功能可以采用多隊(duì)列特征在 HD FIFO 上實(shí)現(xiàn),，如:

a. 視頻信號(hào)的隔行/去隔行

b. PIP 實(shí)施

c. 交叉信號(hào)處理

    使用高密度 FIFO 可以節(jié)省邏輯元件,，寄存器，內(nèi)存和 I / O,，可以幫助開(kāi)發(fā)人員把高

端 FPGA 換為更小的 FPGA,，從而可以節(jié)省 20 ~ 30%的成本。

 

    高密度 FIFO 基于 SRAM 技術(shù),，為客戶提供了高數(shù)據(jù)可靠性和低延遲性,。簡(jiǎn)單易用的總線接口可以減少實(shí)施和調(diào)試工作。高密度 FIFO 密度可以達(dá)到 144 Mb,，速度可以到 150 MHz,，具備 segment 特色，還有很多增值功能,，如多隊(duì)列和可選的存儲(chǔ)器架構(gòu),，可以幫助開(kāi)發(fā)人員設(shè)計(jì)更快、更有效率,，從而使其適應(yīng)廣泛的應(yīng)用,。它已經(jīng)是一個(gè)成熟的解決方案，可以加速推向市場(chǎng)的時(shí)間,，同時(shí)減少相關(guān)設(shè)計(jì)工作,。該器件還可提供很寬的擴(kuò)展選擇，可以適應(yīng)視頻廣播,，軍事,，醫(yī)學(xué)影像，基站(網(wǎng)絡(luò))設(shè)備,，滿足很多應(yīng)用,，如:

•普通高清格式幀緩存 (720p ，1080i ,，1080p): 存儲(chǔ)四個(gè) 1080p 分辨率的幀

•HDTV/SDTV 幀同步

•交換或格式轉(zhuǎn)換器盒子

•高端數(shù)碼攝像機(jī)

•軍事雷達(dá)中高密度緩存

•醫(yī)學(xué)成像

•基站‐‐3G,，4G 及網(wǎng)絡(luò)