VS2详细设计（二）

你是程序猿对吗？会写代码的那种？

紧接上次的VS2设计（一），今天学习模块设计和结果分析

3. 模块设计

3.1 模块检测

3.1.1 模块功能

对输入的视频源进行帧频检测（包括小数帧频），分辨率检测。

3.1.2 接口设计

图3-1 检测模块顶层框图

检测模块的实现顶层框图如图3-1所示，其接口描述如下：

detection detectionInst

(

.Clk50M ( MAINCLK50M ),

.DVIIN1_VS ( DVIIN1_VS ),

.DVIIN1_HS ( DVIIN1_HS ),

.DVIIN1_DE ( DVIIN1_DE ),

.DVIIN1_DCLK ( DVIIN1_DCLK ),

.HorCnt ( HorCnt1 ),

.VerCnt ( VerCnt1 ),

.Frame ( Frame1 ),

.HsNum ( HsNum1 ),

.VsNum ( VsNum1 ),

.FrameNum ( FrameNum1 ),

.stable ( stable )

);

3.1.3 实现方式

DVIIN1_CLK为输入视频源的随路时钟，用于检测分辨率的时钟，行分辨率的检测从视频源的数据有效信号DVIIN1_DE的上升沿开始计数，直到DVIIN1_DE的下降沿对HsNum锁存输出。列分辨率的检测的是一个DVIIN1_HS有效期间检测DVIIN1_DE的上升沿或者下降沿个数（实现方式如下），然后在DVIIN1_HS的下降沿将VsNum锁存输出。

assign DePosedge = DVIIN1_DE&&(~DVIIN1_DE_N) ;//下降沿脉冲信号

assign DeNegedge = (~DVIIN1_DE)&&DVIIN1_DE_N ;//上升沿脉冲信号

检测帧频需要使用外部晶振，时钟频率为50MHz，产生一个1秒的计数器，然后计算DVIIN1_VS的上升沿或者下降沿个数，然后输出帧频FrameNum1。如果需要检测小数帧频，本设计是计算100秒内DVIIN1_VS的上升沿或者下降沿个数，然后除以100就可以得到小数帧频。

3.1.4 技术难点

● 检测帧频的1秒计数器必须使用精确的时钟，如果使用随路时钟会产生计数器不精确，或者PLL倍频出来的时钟也必须使用实际值，不能只是用理论值

● 可以将输入视频源的场信号VS，行信号HS，数据有效信号DE和数据进行打拍，保证稳定检测和输出。

3.2 DDR读写模块

DDR读写模块是为了将输入的视频数据存储在DDR中，然后再输出，图3-2为DDR读写模块的顶层框图。主要包括数据源输入、DDR接口、数据读出等接口。

图3-2 DDR读写模块顶层框图

如图3-3所示，DDR读写模块内部的模块主要由写配置模块、写数据模块、Top层模块、MIG核模块、读配置模块、读数据模块等。

图3-3 DDR读写模块内部框图

3.2.1 写模块

3.2.1.1 模块功能

将待输入的视频源数据写入DDR中。

3.2.1.2 接口设计

图3-4 写模块顶层框图

写模块顶层框图如图3-4所示，其接口描述如下：

PingPangWr

#

(

.DATAINWIDTH ( DATAINWIDTH ),

.ADDRINWIDTH ( ADDRINWIDTH ),

.DATAOUTWIDTH( DATAOUTWIDTH),

.ADDROUTWIDTH( ADDROUTWIDTH)

)

PingPangwrite0

(

.clka ( PixelClk ),

.clkb ( Clk200M ),

.ena ( wr_ena ),

.enb ( wr_enb ),

.sel ( wr_sel ), //select address to write or read

.Din ( wr_RamDin ),

.raddr ( wr_raddr ),

.Dout ( wr_RamDout )

);

3.2.1.3 实现方式

写模块采用乒乓RAM操作实现，输入时钟为输入视频的像素时钟DVIIN1_DCLK，输入使能信号为输入视频的数据有效信号DVIIN1_DE，奇数行数据存入RAM的低地址字段，偶数行数据存入RAM的高地址字段（使用检测模块的VerCnt的最低比特位进行选择）。输入的视频源数据为24bits，所以将高8bits补0组成32bits，然后输入该BRAM。

BRAM的读时钟使用DDR的User Clock，本设计中为200MHz。输出使能信号由Top层的写数据请求有效使能。输出的数据为512bits交给Top层写入DDR。

3.2.1.4 技术难点

● 乒乓操作的地址产生

● BRAM的输出勾选Output Registers，将输出数据再延迟一拍

3.2.2 写参数配置模块

3.2.2.1 模块功能

为写模块提供输入参数配置。

3.2.2.2 接口设计

图3-5 写参数配置模块顶层框图

写参数配置顶层框图如图3-5所示，其接口描述如下：

wrchannel

#

( .DATAINWIDTH ( DATAINWIDTH ) ,

.ADDRINWIDTH ( ADDRINWIDTH ) ,

.DATAOUTWIDTH( DATAOUTWIDTH ) ,

.ADDROUTWIDTH( ADDROUTWIDTH ) ,

.DDRADDRWIDTH( DDRADDRWIDTH ) ,

.WRLENWIDTH ( WRLENWIDTH ) ,

.COL_WIDTH ( COL_WIDTH ) ,

.DATALENGTH ( DATALENGTH )

)

wrchannel0

(

.wr_clk ( wr_clk ) ,

.DE ( DE ) ,

.wr_sel ( wr_sel ) ,

.wr_burst_begin ( wr_burst_begin ) ,

.wr_len ( wr_len ) ,

.wr_addr ( wr_addr ) ,

.wr_buf_sel ( wr_buf_sel ) ,

.wr_buf_base ( wr_buf_base )

);

3.2.2.3 实现方式

输入时钟为输入视频源的像素时钟，wr_sel为写请求从外部写通道ram取数的最高位地址。wr_burst_begin表示一次写请求（最大支持16个连续的wr_burst_begin高电平），采用DVIIN1_DE的下降沿产生一个高电平脉冲信号。wr_len表示写入数据的长度（数据宽度为512bits），而视频源的数据位宽为32bits，为了保证可以存入一行，所以本设计对行像素除以16得到写数据长度，计算公式为wr_len =HorPix>>4。由于DDR的一页为2KB，而1080P的视频一行最少也需要7.5KB，也就是说至少需要4页来保存。wr_addr的最低位10bits为0，表示一页的存储容量，每存储一行，将wr_addrcnt加一，然后左移2位就可以实现递增为4页地址的目的，计算公式为wr_addr={(wr_addrcnt<<2),10'b0}。wr_buf_sel即乒乓操作的地址最高位。wr_buf_base写请求从写通道ram取数据的起始地址，本设计中可以使之默认值0x00。

3.2.2.4 技术难点

● 写长度的计算

● 写DDR地址的计算，可以提高DDR的效率

3.2.3 读模块

3.2.3.1 模块功能

从DDR读出视频数据。

3.2.3.2 接口设计

图3-6 读模块顶层框图

读模块顶层框图如图3-6所示，其接口描述如下：

PingPangRd

#

(

.DATAINWIDTH ( DATAINWIDTH ),

.ADDRINWIDTH ( ADDRINWIDTH ),

.DATAOUTWIDTH( DATAOUTWIDTH),

.ADDROUTWIDTH( ADDROUTWIDTH)

)

PingPangread0

(

.clka ( Clk200M ),

.clkb ( rd_data_clk ),

.ena ( rd_ena ),

.enb ( DE ),

.Din ( rd_RamDin ),

.waddr ( rd_raddr ),

.Dout ( rd_RamDout ),

.valid ( rd_valid )

);

3.2.3.3 实现方式

User Clock，本设计中为200MHz。输入数据有效使能，由Top层控制。输入的数据为512bits，输入地址为9位，也是由Top层控制。

读模块的输出数据时钟为PLL将视频源随路时钟1比1倍频出来的时钟，因为本设计采用写一行读一行的设计，所以读模块的输出使能需要将写使能延迟行像素个时钟周期。读模块的地址为13位，每读取一行，都从地址0开始重新读。输出的数据为32bits，valid为数据的输出有效信号。

3.2.3.4 技术难点

● 输出数据时钟的选择

● 读数据地址的控制，因为未采用乒乓操作，所以每次读完之后也要从地址0开始

3.2.4 读参数配置模块

3.2.4.1 模块功能

为读模块提供输入参数配置。

3.2.4.2 接口设计

图3-7 读参数配置模块顶层框图

读参数配置模块顶层框图如图3-6所示，其接口描述如下：

rdchannel

#

(

.DDRADDRWIDTH ( DDRADDRWIDTH ) ,

.RDLENWIDTH ( RDLENWIDTH ) ,

.COL_WIDTH ( COL_WIDTH ) ,

.RDOPTWIDTH ( RDOPTWIDTH ) ,

.DATALENGTH ( DATALENGTH )

)

rdchannel0

(

.rd_clk ( rd_clk ) ,

.DE ( DE ) ,

.rd_burst_begin( rd_burst_begin ) ,

.rd_len ( rd_len ) ,

.rd_addr ( rd_addr ) ,

.rd_opt ( rd_opt )

);

3.2.4.3 实现方式

读参数配置模块的输入时钟为DDR的User Clock，rd_burst_begin表示读请求有效信号，一个rd_clk的高电平代表一次读请求。最大支持16个连续的rd_burst_begin高电平。因为读请求需要在写请求之后，所以这里将DE的下降沿高脉冲延迟一个时钟周期就可以实现。rd_len表示读出数据的长度（数据宽度为512bits），与写数据长度类似，也是使用行像素除以16得到。rd_addr表示从DDR中读数据的地址，与写DDR地址对应，地址计算公式为rd_addr = {(rd_addrcnt<<2),10'b0}。rd_opt为预留信号，这里不作阐述。

3.2.4.4 技术难点

● 读请求的产生，必须在写请求之后，因为Top层的读请求优先，必须保证先写后读

3.2.5 TOP模块

使用已有的模块，对MIG核再次进行了封装，详细参考ddr_top使用介绍。

3.2.6 MIG接口模块

3.2.6.1 MIG核的时钟模块

如图3-8所示，MIG核有一对差分的输入系统时钟SYSCKN和SYSCKP，经过内部的PLL倍频出来FPGA内部的逻辑时钟、写通道IO逻辑时钟、读通道IO逻辑时钟和延迟逻辑，另外MIG核还有一个IDELAY的参考时钟，本设计在IP选择时候勾选的参考时钟使用User Clock。

图3-8 MIG核的时钟网络

3.2.6.2 接口设计

对于使用IP的开发人员来说，不需要关注mem_infc与DDR的物理层实现，只需要了解ui_top和mem_infc之间的连接关系。

图3-9 MIG核的接口

1)app_addr：操作地址，按照结构从高位到低位是rank + bank + row + column。

2)app_cmd：操作命令， 3'b000表示写入，3'b001表示读出（注意：要和操作地址同时出现才有效）。

3)app_en：操作地址app_addr的使能，只有它拉高的时候，对应的app_addr才是有效的。

4)app_rdy:表示可以接收命令进行响应。

5)app_wdf_data：写入的数据接口。

6)app_wdf_end：表示输入的最后一个数据为高脉冲。

7)app_wdf_wren：写入的数据接口app_wdf_data的使能，只有它拉高的时候，对应的app_wdf_data才是有效的。

3.3 输出模块

3.3.1 模块功能

将内部视频输出到显示器。

3.3.2 实现方式

输入时钟Clk148M5是PLL将输入时钟进行1比1倍频出来的，Clk148M5Drg90是将Clk148M5进行了90°相位移动。DVIIN1_VS、DVIIN1_HS、DVIIN1_DE、DVIIN1_DATA都是从DDR中输出的。DVIOUT1_DCLK是通过ODDR原语将输入的Clk148M5Drg90双倍速率作为输出视频的时钟。DVIOUT_VS、DVIOUT_HS、DVIOUT_DE、DVIOUT_DATA是通过ODDR原语将DVIIN1_VS、DVIIN1_HS、DVIIN1_DE、DVIIN1_DATA在时钟Clk148M5的边沿双倍速率输出信号。

3.3.3 接口设计

图3-10 输出模块顶层框图

输出模块的实现顶层框图如图3-9所示，其DVI输出接口描述如下：

3.3.4 技术难点

● 输出的时钟不是精确的148.5MHz，因为有一个90°偏移的相位关系，所以会导致VCO锁存输出时钟的时候的真实值不是148.5MHz

● ODDR的对齐方式为Same Edge，同步接口设计

4. 结果分析

检测模块的结果如图4-1所示，视频源推送的是59.94Hz的1024x768分辨率的视频，可以正常检测出来结果。

图4-1 检测模块

不同分辨率不同帧频的视频源输出结果如图4-2（a)（b)（c)所示

图4-2 （a）800x600@75Hz （b）1280x720@60Hz (c)1920x1080@60Hz

表4-1列出了各个模块的资源利用情况。

表4-1 资源利用率