幀存儲(chǔ)器AL440B及其在視頻回放系統(tǒng)中的應(yīng)用

關(guān)鍵詞： AL440B , 視頻回放 , 幀存儲(chǔ)器

AL440B是由AVERLOGIC推出的一款性價(jià)比較高的視頻幀存儲(chǔ)芯片，目前市場(chǎng)上FIFO的存儲(chǔ)容量均比較小，包括該公司前幾年推出的具有3M位容量的AL422系列FIFO芯片，也逐漸無(wú)法適應(yīng)目前高分辨率視頻技術(shù)的發(fā)展。AL440B沿襲了AL422B的設(shè)計(jì)思想，從功能、容量、速度上比AL422均有顯著提高。例如：AL440B具有4M位存儲(chǔ)容量，存儲(chǔ)速度可達(dá)80MHz，具有用戶可控的讀寫(xiě)使能，輸入輸出使能及讀寫(xiě)復(fù)位輸入端口，可以通過(guò)I2C讀寫(xiě)其內(nèi)部寄存器控制讀寫(xiě)初始地址，可以方便進(jìn)行總線擴(kuò)展。文章首先介紹AL440B的功能與操作，然后給出一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。  

芯片簡(jiǎn)介☆ 芯片特點(diǎn)

⑴ AL440B的存儲(chǔ)體容量為4M位（512 8bits）。
⑵ 具有8位獨(dú)立讀寫(xiě)端口，可擴(kuò)展總線。
⑶ 獨(dú)立且極性可控的讀寫(xiě)有效、輸入輸出使能控制端口。
⑷ 異步讀寫(xiě)時(shí)鐘，最高讀寫(xiě)時(shí)鐘80MHz。
⑸ 內(nèi)部DRAM自刷新。
⑹ 支持窗口讀寫(xiě)操作，I2C讀寫(xiě)內(nèi)部寄存器。
⑺ 3.3V電源，兼容5V輸入信號(hào)。  

☆ 主要管腳功能及操作

IO[7:0]，DO[7:0]：8位數(shù)據(jù)輸入輸出。
RCLK， WCLK：讀寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)鐘。
WE：寫(xiě)FIFO使能信號(hào)。WE有效，則在WCLK上升沿輸出數(shù)據(jù)，同時(shí)內(nèi)部指針自動(dòng)加1。
IE：輸入使能信號(hào)。IE有效時(shí)，允許數(shù)據(jù)輸入；IE處于無(wú)效態(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)
輸出端為高阻，此時(shí)若WE有效，內(nèi)部指針仍然自動(dòng)加1。
WRST：寫(xiě)FIFO復(fù)位，寫(xiě)地址指針指向0。
RE：讀FIFO使能信號(hào)。RE有效，則在RCLK上升沿輸出數(shù)據(jù)，同時(shí)內(nèi)部指針自動(dòng)加1。
OE：輸出使能信號(hào)。OE有效時(shí)，允許數(shù)據(jù)輸出；OE處于無(wú)效態(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)輸出端為高阻，此時(shí)若RE有效，內(nèi)部指針仍然自動(dòng)加1。
RRST：讀FIFO復(fù)位，讀地址指針指向0。
ORDY：FIFO輸出準(zhǔn)備好標(biāo)志位，說(shuō)明FIFO是否已讀空。
IRDY：FIFO輸入準(zhǔn)備好標(biāo)志位，說(shuō)明FIFO是否已寫(xiě)滿。
/PLRTY：PLRTY決定了以上8個(gè)控制信號(hào)的有效極性。/PLRTY置高，以上八個(gè)控制信號(hào)低有效；/PLRTY置低，以上八個(gè)控制信號(hào)高有效。
/RESET：復(fù)位管腳；復(fù)位操作至少要提供200 s負(fù)脈沖，系統(tǒng)復(fù)位后，各寄存器全部置零。
SDA，SCL：串行總線的數(shù)據(jù)線與時(shí)鐘線。
/SDAEN：串行總線使能控制信號(hào)。當(dāng)/SDAEN置低時(shí)，SDA與SCL使能，可以讀寫(xiě)內(nèi)部寄存器；反之SDA處于高阻態(tài)。  
令/PLRTY=VDD，AL440B的讀寫(xiě)時(shí)序如表1、表2所示（/PLRTY=GND的時(shí)序略）。
表1：/PLRTY＝VDD時(shí)，F(xiàn)IFO的寫(xiě)時(shí)序(略)
表2：/PLRTY＝VDD時(shí)，F(xiàn)IFO的讀時(shí)序(略)  
注意：寫(xiě)地址必須先于讀地址192個(gè)周期，否則讀到的為上一幀的數(shù)據(jù)。  

☆ 寄存器操作與窗口編程

AL440B內(nèi)部18個(gè)可讀寫(xiě)寄存器主要提供窗口讀寫(xiě)功能操作，通過(guò)串行總線配置。讀寫(xiě)命令格式如下：
寫(xiě)：開(kāi)始－>寫(xiě)從地址－>應(yīng)答－>寄存器地址－>應(yīng)答－>數(shù)據(jù)－>應(yīng)答－>結(jié)束；
讀：開(kāi)始－>讀從地址－>應(yīng)答－>寄存器地址－>應(yīng)答－>開(kāi)始－>讀從地址－>應(yīng)答－>數(shù)據(jù)－>非應(yīng)答－>結(jié)束；

寄存器定義與配置如下：
WSTART_L（H）：窗口寫(xiě)起始地址低位（高位），范圍在0－8191存儲(chǔ)區(qū)。
WXSIZE_L（H）：定義窗口寫(xiě)水平方向?qū)挾龋秶?－1023存儲(chǔ)區(qū)。
WSTRIDE_L（H）：定義窗口寫(xiě)水平方向最大寬度；范圍在 4096－+4096存儲(chǔ)區(qū)，當(dāng)為負(fù)值時(shí)表示FIFO工作在Y-MIRROR模式，WSTRIDE應(yīng)大于等于WXSIZE。
WYSIZE_L（H）：定義窗口寫(xiě)垂直方向高度，保留且為0。
RSTART_L（H）：窗口讀起始地址低位（高位），范圍在0 8191存儲(chǔ)區(qū)。
RXSIZE_L（H）：范圍在0－1023存儲(chǔ)區(qū)。
RSTRIDE_L（H）：范圍在0－+4096存儲(chǔ)區(qū)。
RYSIZE_L（H）：定義窗口讀垂直方向高度，范圍在0－65535。
WWCTRL：寫(xiě)窗口功能模式選擇，其中No X-mirror No Y-mirror表示按照存儲(chǔ)區(qū)由左至右、由上到下寫(xiě)入，X-mirror模式表示由右至左、由上到下寫(xiě)入，X-mirror Y-mirror模式表示由右至左、由下到上寫(xiě)入。
RWCTRL：讀窗口功能選擇。

AL440B的窗口操作將存儲(chǔ)空間分為XY兩個(gè)方向，讀寫(xiě)方向、讀寫(xiě)數(shù)據(jù)量都可以不同，這使得例如畫(huà)中畫(huà)、工控領(lǐng)域窗口顯示、圖像截取等應(yīng)用設(shè)計(jì)變得十分簡(jiǎn)單。  

AL440B的典型應(yīng)用

視頻幀存儲(chǔ)器可以用在掃描轉(zhuǎn)換、NTSC/PAL、SVGA、XGA視頻捕獲系統(tǒng)、時(shí)基校正、畫(huà)中畫(huà)視頻顯示、幀同步器、通信緩沖等。此外，AL440B還可應(yīng)用于視頻采集系統(tǒng)，視頻分割系統(tǒng)等等應(yīng)用中。  

應(yīng)用實(shí)例

在高分辨（或低分辨率）率高幀頻（或低幀頻）數(shù)字視頻到標(biāo)準(zhǔn)PAL制轉(zhuǎn)換的回放顯示系統(tǒng)中，AL440B可以做高速視頻緩沖器或視頻格式轉(zhuǎn)換器使用。  

前端輸入為16位并行YUV格式數(shù)字圖像，分辨率為800 600，幀頻80幀/s，數(shù)據(jù)時(shí)鐘為54Hz。數(shù)字圖像到標(biāo)準(zhǔn)PAL制模擬視頻的轉(zhuǎn)換用專用視頻編碼器（CX25871）實(shí)現(xiàn)。

專用編碼芯片對(duì)輸入數(shù)據(jù)的時(shí)序與格式有一定的要求，例如輸入幀頻要固定為50幀/s，分辨率有最高最低限度，數(shù)據(jù)時(shí)鐘根據(jù)不同的輸出要求也各異，對(duì)于幀頻較高的輸入要進(jìn)行抽幀，反之要進(jìn)行插幀或幀重復(fù)讀?。环直媛矢哂谧罡呦薅鹊囊M(jìn)行行抽取與象素抽取，反之要進(jìn)行行插入與象素插入；輸入輸出時(shí)鐘頻率也要進(jìn)行相應(yīng)的匹配。

整個(gè)邏輯可以由CPLD配合兩組AL440B實(shí)現(xiàn)。其中AL440B用做掃描轉(zhuǎn)換器與數(shù)據(jù)緩沖器，CPLD提供對(duì)FIFO單元的相關(guān)控制邏輯與時(shí)序邏輯。其基本設(shè)計(jì)思想為：

當(dāng)輸入幀頻高于50幀/s時(shí)，抽取50幀，當(dāng)輸入幀頻低于50幀/s時(shí)，采取對(duì)某些幀重復(fù)讀取的辦法；設(shè)計(jì)時(shí)要考慮所抽取的幀（或重讀的幀）要在時(shí)間軸上均勻散開(kāi)，保證恢復(fù)圖像的連續(xù)性；保證讀FIFO單元1（以下簡(jiǎn)稱F1）時(shí)才允許寫(xiě)FIFO單元2(以下簡(jiǎn)稱F2)，如果寫(xiě)FIFO2先于讀F1結(jié)束，那么讀完F1后直接讀取F2，如果F1讀完F2還沒(méi)有寫(xiě)完則多次重復(fù)讀取FIFO1，直到寫(xiě)F2結(jié)束為止，注意，在連續(xù)讀取F1的過(guò)程中只允許寫(xiě)一遍F2；F2寫(xiě)完則允許開(kāi)始讀取F2，讀F2的過(guò)程中寫(xiě)F1，過(guò)程與上類似。每次讀寫(xiě)FIFO之前都要給出FIFO的復(fù)位信號(hào)，將讀寫(xiě)起始地址置零，以保證每次FIFO中存放的為完整的一幀圖像。
  
其中WRST1、WRST2、RRST1、RRST2分別為兩個(gè)FIFO單元的幀讀寫(xiě)復(fù)位信號(hào)，WRITE1、WRITE2、READ1、READ2分別為兩個(gè)FIFO單元的輸入輸出使能信號(hào)。輸入輸出使能信號(hào)必須與輸入數(shù)據(jù)行有效信號(hào)H_ACTIVE、消隱信號(hào)BLANK相與后的輸出才可作為FIFO的讀寫(xiě)使能信號(hào)。

該邏輯可以實(shí)現(xiàn)從幾幀/s到上千幀/s圖像到50幀/s圖像的格式轉(zhuǎn)換，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)輸出輸入兩端低速到高速或高速到低速數(shù)據(jù)時(shí)鐘的匹配。

由于輸入為16位YUV4:2:2格式圖像，每一組FIFO由兩片AL440B并連。其中FIFO1接收Y7-Y0，F(xiàn)IFO2高四位接收U3-U0，低四位接收V4-V0。

結(jié)語(yǔ)

文章介紹了視頻幀存儲(chǔ)器AL440B的特點(diǎn)及功能，并給出一個(gè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用實(shí)例。AL440B與AL422相比具有更大的容量，更高的讀寫(xiě)速率，可以支持DTV（HDTV）視頻緩沖，可以支持1024 768分辨率75幀/s（XGA模式）非標(biāo)視頻信號(hào)的掃描轉(zhuǎn)換（AL422僅能支持VGA模式）。隨著視頻顯示技術(shù)、視頻存儲(chǔ)技術(shù)不斷向著高分辨率、高幀頻、高速度的方向發(fā)展，高速大容量視頻幀存儲(chǔ)器將具有更為廣泛的應(yīng)用前景。