以下文章來(lái)源于OpenFPGA，作者碎碎思OpenFPGA

在游戲、影視和顯示領(lǐng)域，4K 已經(jīng)成為標(biāo)配。而今天，我們就來(lái)聊聊——如何用 FPGA 實(shí)現(xiàn) 4K 視頻的輸入輸出與處理。

從 HDMI 1.4 到 HDMI 2.0：瓶頸與突破

目前，大多數(shù)基于 HDMI 的 FPGA 圖像處理方案，通常采用兩種思路：

直接用 FPGA IO 管腳配置為 TMDS 接收/發(fā)送模式，詳見(jiàn)下面鏈接；

https://github.com/Digilent/vivado-library

通過(guò)外部 HDMI PHY 收發(fā)芯片，將并行視頻數(shù)據(jù)與 TMDS 信號(hào)互轉(zhuǎn)。

這些方案在 HDMI 1.4 時(shí)代已經(jīng)相當(dāng)成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)：

最高 4K@24Hz 視頻輸入輸出

或者 1080p@120Hz 的高幀率顯示

這樣的性能足以滿足多數(shù)中低速應(yīng)用，比如工業(yè)檢測(cè)、嵌入式顯示屏等。

但問(wèn)題來(lái)了——

要實(shí)現(xiàn)更流暢的 4K@60Hz 視頻傳輸，就必須邁入 HDMI 2.0 時(shí)代。

挑戰(zhàn)：18 Gbps 的帶寬壓力

HDMI 2.0 標(biāo)準(zhǔn)要求帶寬高達(dá) 18 Gbps，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng) FPGA I/O 能承受的速率。

而在這類(lèi)高帶寬設(shè)計(jì)中，高速串行收發(fā)器（GTH/GTY） 就成了關(guān)鍵。

在這方面，AMD Artix UltraScale+ FPGA 表現(xiàn)亮眼。 它內(nèi)部集成的 GTH 收發(fā)器 可支持 最高 6 Gbps 的速率，完全能勝任 4K@60Hz 的傳輸需求。

這也意味著：我們終于能在一塊 FPGA 上，完整跑通 HDMI 2.0 的 4K 視頻鏈路！

架構(gòu)設(shè)計(jì)：從輸入到輸出，一氣呵成

本項(xiàng)目的目標(biāo)，是構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)潔高效的 4K 視頻直通參考設(shè)計(jì)（Pass-through Design）。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是——

從相機(jī)或筆記本電腦輸入 HDMI 視頻 → FPGA 處理 → 輸出到顯示器，實(shí)時(shí)顯示高分辨率畫(huà)面。

整個(gè)系統(tǒng)由以下幾個(gè)關(guān)鍵模塊組成：

AMD MicroBlaze 軟核處理器

負(fù)責(zé)初始化與配置各個(gè) IP 核；

通過(guò)串口菜單提供簡(jiǎn)易的系統(tǒng)控制界面；

控制時(shí)鐘發(fā)生器（Clock Wizard）和視頻參數(shù)。

HDMI RX 1.4 / 2.0 子系統(tǒng)

接收來(lái)自外部源（相機(jī)/筆記本）的 HDMI 信號(hào)；

將 TMDS 信號(hào)解碼為 FPGA 可處理的視頻流格式。

HDMI TX 1.4 / 2.0 子系統(tǒng)

將處理后的視頻流重新編碼為 TMDS 信號(hào)；

輸出到 HDMI 顯示設(shè)備（如 4K 顯示器）。

視頻物理層控制器（PHY Controller）

負(fù)責(zé) HDMI 子系統(tǒng)與 FPGA 內(nèi)部 GTH 收發(fā)器之間的接口；

管理數(shù)據(jù)傳輸與時(shí)鐘同步。

視頻測(cè)試模式生成器（TPG）

當(dāng)沒(méi)有外部視頻輸入時(shí)，可自動(dòng)生成測(cè)試圖案；

便于驗(yàn)證 HDMI 輸出鏈路是否工作正常。

實(shí)踐：基于 AMD 官方參考設(shè)計(jì)

整個(gè)方案的實(shí)現(xiàn)基于 AMD 官方 HDMI 參考設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了調(diào)整與優(yōu)化：

增加了對(duì) HDMI 2.0 幀率與分辨率的支持；

通過(guò) MicroBlaze 實(shí)現(xiàn)靈活的軟件可配置控制；

充分利用 Artix UltraScale+ 的 GTH 特性，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高速傳輸。

許可

我不清楚我電腦里Vivado為啥都有l(wèi)icense，如果沒(méi)有的話可以通過(guò)官網(wǎng)申請(qǐng)?jiān)囉?，詳?jiàn)：

xilinx_ip_license申請(qǐng)

這里提供一個(gè)網(wǎng)絡(luò)下載的license，我電腦里應(yīng)該時(shí)安裝了這個(gè)，大家可以嘗試一下：

分享一波“各種各樣”的資源

創(chuàng)建參考設(shè)計(jì)

在 AMD Vivado 設(shè)計(jì)套件中創(chuàng)建設(shè)計(jì)之前，我們打開(kāi)一個(gè)針對(duì) VCU118 的項(xiàng)目。

項(xiàng)目打開(kāi)后，打開(kāi) IP 庫(kù)并選擇 HDMI 1.4 / 2.0 接收器子系統(tǒng)。

這會(huì)將 IP 添加到項(xiàng)目中。選擇 IP。

右鍵單擊選定的 IP，然后選擇“打開(kāi) IP 示例設(shè)計(jì)”。

對(duì)話框打開(kāi)后，選擇要存儲(chǔ)項(xiàng)目的位置。

這將打開(kāi)一個(gè)針對(duì) VCU118 的示例設(shè)計(jì)。我們需要將目標(biāo)板更改為自己的開(kāi)發(fā)板。

更換FPGA芯片IP會(huì)被鎖定，需要更新：

更新選定的 IP 并重新運(yùn)行 IP 狀態(tài)報(bào)告，IP 現(xiàn)在應(yīng)該顯示為最新的。

下一步是對(duì)視頻 PHY 控制器進(jìn)行修改，以更新 AMD Artix UltraScale+ 設(shè)備上提供的 GTHE4。確保將時(shí)鐘原語(yǔ)設(shè)置為 PLL。

設(shè)計(jì)應(yīng)如下所示。

在本設(shè)計(jì)中，視頻通過(guò) TGP 從 HDMI Rx 傳輸?shù)?HDMI Tx。為了確保能夠支持最高的分辨率和幀率，視頻像素以每時(shí)鐘 2 像素或每時(shí)鐘 4 像素的速率提供（取決于模塊的配置）。

該設(shè)計(jì)的架構(gòu)如下所示。外部傳輸路徑使用 Display Port 轉(zhuǎn) HDMI 轉(zhuǎn)換器，接收器使用 TMDS 重定時(shí)器。

在內(nèi)部，視頻物理層控制器（Video Phy Controller）與 GTH 收發(fā)器相連，用于發(fā)送（Tx）和接收（Rx）操作，并為 HDMI 發(fā)送端和接收端各提供 3 條數(shù)據(jù)通道（data lane）。這些通道與 HDMI 子系統(tǒng)相互連接。

HDMI 解決方案需要多個(gè) IIC 接口用于連接 HDMI Tx 和 Rx 的 DDC，這些 DDC 直接連接或來(lái)自 HDMI Tx/Rx 子系統(tǒng)。這些解決方案還需要 IIC 接口用于 SN65DP159RGZT 和 TMS181（驅(qū)動(dòng)和均衡芯片），用于改善輸入和輸出 GTH 信號(hào)。

我們還需要第二個(gè)通道 AXI IIC 連接到時(shí)鐘發(fā)生器。該時(shí)鐘發(fā)生器提供 GTH 參考時(shí)鐘。

本次板卡的 IIC 網(wǎng)絡(luò)如下所示。

在 AMD MicroBlaze 處理器模塊內(nèi)，添加第二個(gè) AXI IIC 并將其信號(hào)連接到外部。

修改約束后就可以進(jìn)行綜合實(shí)現(xiàn)了~

從 AMD Vivado 設(shè)計(jì)套件導(dǎo)出 XSA，有了 XSA，我們可以在 AMD Vitis 統(tǒng)一軟件平臺(tái)中創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的 Hello World 應(yīng)用程序。這個(gè) Hello World 應(yīng)用程序?qū)?chuàng)建一個(gè)平臺(tái)和一個(gè)應(yīng)用程序。編譯并運(yùn)行 Hello World 應(yīng)用程序確保我們能夠在 AMD MicroBlaze 處理器上生成并運(yùn)行應(yīng)用程序。

現(xiàn)在我們知道我們有一個(gè)可行的系統(tǒng)，并且可以在 AMD MicroBlaze 處理器上執(zhí)行程序，我們需要為 HDMI 直通創(chuàng)建應(yīng)用軟件。

在平臺(tái)中，打開(kāi) platform.spr 文件并選擇板級(jí)支持包 (Board Support Package)。在板級(jí)支持包下，向下滾動(dòng)找到 v_hdmi_rx_ss 驅(qū)動(dòng)程序，然后選擇導(dǎo)入示例。

這將為我們提供一系列應(yīng)用示例。在本例中，我們將使用 Passthrough_MicroBlaze。

這樣就創(chuàng)建好了應(yīng)用程序。不過(guò)，我們需要對(duì)主應(yīng)用程序示例進(jìn)行一些修改，確保時(shí)鐘發(fā)生器芯片配置正確。

主要的修改是對(duì)條件編譯進(jìn)行修改，更改正在編程的 I2C 時(shí)鐘發(fā)生器類(lèi)型。默認(rèn)情況下，軟件預(yù)期編程 Si5324 設(shè)備，而 我們的開(kāi)發(fā)板具有瑞薩 8T49N24 時(shí)鐘發(fā)生器設(shè)備。

int I2cClk(u32 InFreq, u32 OutFreq)
{
int Status;

//#if(!defined XPS_BOARD_ZCU104)
#if(defined XPS_BOARD_ZCU104)
/* Free running mode */
if(InFreq == 0) {

 Status = Si5324_SetClock((XPAR_IIC_0_BASEADDR),
   (I2C_CLK_ADDR),
          (SI5324_CLKSRC_XTAL),
   (SI5324_XTAL_FREQ),
   OutFreq);
if(Status != (SI5324_SUCCESS)) {
 xil_printf("Error programming SI5324
");
 return0;
 }
}

/* Locked mode */
else{
 Status = Si5324_SetClock((XPAR_IIC_0_BASEADDR),
   (I2C_CLK_ADDR),
   (SI5324_CLKSRC_CLK1),
   InFreq,
   OutFreq);

if(Status != (SI5324_SUCCESS)) {
 xil_printf("Error programming SI5324
");
 return0;
 }
}
#else
/* Reset I2C controller before issuing new transaction.
 * This is required torecover the IIC controllerincasea previous
 * transaction is pending.
 */
XIic_WriteReg(XPAR_IIC_0_BASEADDR, XIIC_RESETR_OFFSET,
   XIIC_RESET_MASK);

/* Free running mode */
if(InFreq == 0) {
 Status = IDT_8T49N24x_SetClock((XPAR_IIC_0_BASEADDR),
      (I2C_CLK_ADDR),
      (IDT_8T49N24X_XTAL_FREQ),
      OutFreq,
      TRUE);

if(Status != (XST_SUCCESS)) {
 print("Error programming IDT_8T49N241
");
 return0;
 }
}

/* Locked mode */
else{
 Status = IDT_8T49N24x_SetClock((XPAR_IIC_0_BASEADDR),
      (I2C_CLK_ADDR),
      InFreq,
      OutFreq,
      FALSE);

if(Status != (XST_SUCCESS)) {
 print("Error programming IDT_8T49N241
");
 return0;
 }
}
#endif
return1;
}

為了確保軟件應(yīng)用程序能夠適應(yīng)所提供的 256KB 內(nèi)存，將優(yōu)化級(jí)別設(shè)置為 O1。

完成這些更改后，我們就可以構(gòu)建應(yīng)用程序并在開(kāi)發(fā)板上進(jìn)行調(diào)試。完整的源代碼可以在 git 項(xiàng)目中獲取。

https://github.com/ATaylorCEngFIET/4K-at-60Hz

下板測(cè)試

測(cè)試非常簡(jiǎn)單。我們需要提供一個(gè) HDMI 接收器和一個(gè) HDMI 源。

初始測(cè)試的 HDMI 接收器是一臺(tái)支持 4K 的顯示器和一臺(tái)支持 1080p 的小型顯示器。HDMI 源是一臺(tái) 4K 運(yùn)動(dòng)相機(jī)，它也可以切換輸出模式。

打開(kāi)電路板并下載應(yīng)用程序進(jìn)行調(diào)試。

運(yùn)行應(yīng)用程序，將 HDMI 接收器和源連接到攝像頭，并將分辨率設(shè)置為 1080P。它會(huì)顯示正在傳輸?shù)膱D像。

運(yùn)行該應(yīng)用程序?qū)⑼ㄟ^(guò) UART 輸出一個(gè)菜單。通過(guò)此菜單，我們可以控制在 AMD MicroBlaze 處理器上運(yùn)行的應(yīng)用程序。此外，我們還可以提取有關(guān)圖像處理流水線的配置和性能的信息。

按“i”將提供有關(guān) HDMI TX 和 RX 子系統(tǒng)的信息。

我們還可以通過(guò)終端提取 GTH 日志。

將 HDMI 接收器連接到支持 4K 的顯示器后，我們可以看到更新后的分辨率。

最終結(jié)果

這套設(shè)計(jì)能在 FPGA 平臺(tái)上輕松實(shí)現(xiàn) 4K@60Hz 視頻輸入輸出，為高性能視覺(jué)系統(tǒng)、視頻采集卡、顯示控制器等應(yīng)用提供了強(qiáng)大支撐。

總結(jié)：FPGA，讓 4K 不再遙遠(yuǎn)

過(guò)去，4K 視頻處理常被認(rèn)為是 GPU 或?qū)Ｓ眯酒摹爸鲌?chǎng)”。 但如今，借助 AMD FPGA 強(qiáng)大的可編程邏輯與高速收發(fā)器， 4K@60Hz 視頻系統(tǒng) 已能在單片 FPGA 上靈活實(shí)現(xiàn)。

未來(lái)，我們可以想象更多：

視頻疊加、AI 視覺(jué)檢測(cè)、HDR 動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)……

這些都可以通過(guò)硬件邏輯實(shí)時(shí)完成。

參考設(shè)計(jì)

https://github.com/ATaylorCEngFIET/4K-at-60Hz