（电路与系统专业论文）基于fpga的3d视频处理器.pdf

华东师范大学硕士学位论文 幽 cy 1r9ull n l r o n l i l h 4 i l l u l 。l ：i i ”岁芗。 2 01lg r a d u a t es t u d e n td i s s e r t a t i o ns c h o o ln o ：1 0 2 6 9 n 0 ：5 1 0 8 1 2 0 2 0 4 3 ea s tc h i nan o r m a l u n i v e r s i t y 3 dv i d e op r o c e s s o rb a s e do nf p g a i n s t i t u t e ：i n f o r m a t i o ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y m a j o r ：e l e c t r o n i cc i r c u i ta n ds y s t e m r e s e a r c hf i e l d ：d i g i t a ld i s p l a yt e c h n o l o g y p r o f e s s o r ：y i q i n gl i u m a r c h2 0 1 1 2 i (i p t 0 、0 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文基于f p g a 的3 d 视频处理器，是在华东师范大 学攻读够厶博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：埠、| 7 日期： 年岁月谚日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 基于f p g a 的3 d 视频处理器系本人在华东师范大学攻读学位期间在导师指导 下完成的硕博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华东师范大学所有。本人 同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主管部门和相关机构如国 家图书馆、中信所和“知网”送交学位论文的印刷版和电子版；允许学位论文进入华东 师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位 论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或 者其它方式合理复制学位论文。 。 本学位论文属于( 请勾选) ( ) 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部 或“涉密学位论文奉， 于年，月日解密，解密后适用上述授权。 ( 2 不保密，适用上述授权。 导师签名 等辞 本人签名 矽i1 年占月落日 “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学位 论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有效) ，未经上 述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用 上述授权) 。 r ll，f i i 华东师范大学硕士学位论文 金左硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 郑正奇教授华东师大主席 蔡家麟副教授华东师大 蒋传纪副教授华东师大 华东师范大学硕士学位论文 论文摘要 3 d 显示( 立体显示) 被认为是继高清显示后的下一代主流显示技术。事实上， 自2 0 1 0 年开始，3 d 显示产品已经快速地充斥消费电子市场。显示技术的根本目的 在于真实还原图像中的景物，给观众带来强烈的临场感，从这个角度看，3 d 显示成 为显示技术的主流具有其必然性。早期基于胶片的拍摄技术成本高、后期制作困难， 而基于c r t ( 阴极射线管) 的显示技术难以解决色彩失真、画面闪烁等问题，这些 都给3 d 显示的发展带来了巨大的阻碍。3 d 显示真正开始实用化得益于近年来高速 发展的半导体和数字计算技术。目前，消费电子市场上已随处可见包括国内国外各 种品牌的3 d 产品( 主要是3 d 电视和显示器) ；另外，h d m i 协会也于2 0 1 0 年3 月 发布了f i d m l l 4 a 规范，为f i d m i 设备设定了标准的3 d 格式。但是，3 d 显示还远 远谈不上普及。以最具代表性的3 d 电视为例，制约其发展的主要因素有三点：l 、 价格昂贵；2 、3 d 片源稀少；3 、健康问题。如何解决这三个问题，也正是本文所做 研究的出发点。 针对市面上价格昂贵的平板3 d 电视产品，本文提出一种低成本的基于d l p 投 影机的3 d 显示方案。该方案是利用d i a m o n dd m d 划分子场显示一幅完整画面的 特性，分时送出左右眼图像，再配合主动快门式眼镜实现无闪烁的3 d 显示效果。 本文首先介绍目前各种主流的3 d 显示技术，对比之下提出一种低成本的解决方 案；然后介绍基于f p g a 的3 d 视频处理器的详细设计过程；最后，在f p g a 上编 程实现符合h d m i i 4 a 规范的各项预期功能。本文的方案能处理f r a m ep a c k i n g 、 s i d e - b y s i d e 、t o p - a n d - b o t t o m 以及p a g ef l i p p i n g 等四大类共八种格式的3 d 视频， 并实时显示在d m d 光学引擎上，与红外主动快门式眼镜配合，获得了很好的3 d 、d l p 、d i a m o n dd m d 、f p g a 5 华东师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t 3 dd i s p l a y ( s t e r e od i s p l a y ) i sc o n s i d e r e dt ob et h en e x tg e n e r a t i o no fd i s p l a y t e c h n i q u ea f t e rh i 曲d e f i n i t i o nd i s p l a y 3 dd i s p l a yp r o d u c t sh a v e b e e nf l o o d i n g c o n s u m e re l e c t r o n i c sm a r k e ts i n c e2 0 1 0 i nc o n s i d e r a t i o no f t h a tt h ef u n d a m e n t a lp u r p o s e o fd i s p l a yt e c h n i q u ei st ot r u l yr e p r o d u c et h es c e n ei nt h eg r a p ha n dp r o v i d ea u d i e n c e s w i t hp r e s e n c e i ti si n e v i t a b l et h a t3 dd i s p l a yw i l lb e c o m et h ed o m i nd i s p l a yt e c h n i q u e i n e a r l yy e a r s ，t h ep h o t o g r a p h yt e c h n i q u eb a s e do nf i l m s t r i pw a sh i g h - c o s t a n d c o m p l i c a t e d t ob ep o s tp r o d u c i n g , a n do nt h eo t h e rh a n d ，d i s p l a yt e c h n i q u eb a s e do nc r t a l w a y sh a dc o l o rd i s t o r t i o na n df l i c k e rp r o b l e m s ，t h u st h ed e v e l o p m e n to f3 dt e c h n i q u e w a sh a r d l ys t a g n a n t u n t i lr e c e n ty e a r s ，3 dt e c h n i q u eh a sb e e ng o i n gt ob eu t i l i t yd u et o t h er a p i dd e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g ya n dd i g i t a lc o m p u t i n gt e c h n i q u e n o ww ec a l le a s i l yf i n dd i f f e r e n tb r a n d so f3 dp r o d u c t i o n sf r o mi n l a n do ro u t l a n d ( m a i n l y3 dt va n dm o n i t 0 0o nt h em a r k e t ；o t h e r w i s e , h d a s s o c i a t i o nh a sp u b l i s h e d t h eh d 1 4 as p e c i f i c a t i o no nm a r c h2 0 1 0 w h i c hd e f i n e st h e3 df o r m a t sf o rh d d e v i c e s h o w e v e r , i ti ss t i l lf a rf r o mp o p u l a rf o r3 dd i s p l a y t a k e3 dt vf o ri n s t a n c e , t h e c r i t i c a ii s s u e st h a tr e s t r i c ti t sd e v e l o p m e n ta 托t h e s et h r e e 1 h i g h - p r i c e ；2 r a r e3 d r e s o u r c e s ；3 h e a l t hp r o b l e m s a n di ti st h ec r i t i c a lp o i n to ft h i sp a p e rr e s e a r c ht h a th o w t os o l v et h e s et h r e ei s s u e s t h i sp a p e rp r o p o s e dan 明vl o w - c o s t3 dd i s p l a ys o l u t i o nb a s e do nd l pp r o j e c t o ri n c o n t r a s tt ot h ef l a tt v so nt h em a r k e t i ti san e wa l g o r i t h mb a s e do ns u b - f r a m ed i s p l a y f e a t u r eo fd i a m o n dd m d 廿l a tt h el e f ta n df i g h tg r a p h sa r et r a n s m i t t e dw i t ht i m es h a r i n g o p e r a t i o n ，a n dc o - w o r k i n gw i t ha c t i v es h u t t e rg l a s s e s ，i tc a ng e tf m e3 dd i s p l a yw i t h o u t f l i c k e r a tt h eb e g i n n i n g t h em a i n3 dd i s p l a yt e c h n i q u e sw i l lb ei n t r o d u c e d a n di nc o n t r a s t t ot h e m , an e wi o w - c o s ts o l u t i o nw i l lb ep r o p o s e d ；t h e nt h ed e s i g no f3 dv i d e op r o c e s s o r b a s e do nf p g aw i l lb ed i s c u s s e di nd e t a i l ；f i n a l l y l ee x p e c t a n tf u n c t i o n sw h i e hf u l l v s u p p o r th d m i i 4 as p e c i f i c a t i o nw i l lb er e a l i z e dt h r o u g hf p g ap r o g r a m m i n g t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e4c a t e g o r i e so f3 dv i d e ow i t h8k i n d so ff o r m a t s i n c l u d i n gf r a m ep a c k i n gs i d e - b y - s i d e ，t o p - a n d - b o t t o ma n dp a g ef l i p p i n gc a nb e p r o c e s s e da n dd i s p l a y e do nd m do p t i c a le n g i n ei nr e a lt i m e ，a n dc o - w o r k i n gw i t hi r a c t i v es h u t t e rg l a s s e s , i ti sq u i t eg o o da t3 dd i s p l a y k e yw o r d s ：3 d d i s p l a y , h d m l l 4 a , d l p , d i a m o n dd m d ，f p g a 6 7 华东师范大学硕士学位论文 3 3 调试和性能分析3 l 3 4 本章小结3 3 第四章软件设计3 4 4 1f p g a 编程基本架构3 4 4 1 1 视频输入模块3 4 4 1 - 2d d i l 2 控制模块_ 3 6 4 1 3 视频输出模块一3 8 4 1 4 其他模块3 9 4 2 八种3 d 视频格式的处理4 2 4 2 1h d m l l 4 a 简介4 2 4 2 2f r a m ep a c k i n g 格式的3 d 视频处理4 3 4 2 2 1f r a m e p a c k i n g 视频结构分析4 3 4 2 2 2f r a m ep a c k i n g 视频处理的存储器操作4 5 4 2 - 3s i d e - b y s i d e 格式的3 d 视频处理5 3 4 2 3 1s i d e b y - s i d e 视频结构分析5 3 4 2 3 2s i d e b y - s i d e 视频处理的存储器操作5 4 4 2 4t o p - a n d - b o t t o m 格式的3 d 视频处理5 9 4 2 4 1t o p - a n d - b o t t o m 视频结构分析5 9 4 2 4 2t o p - a n d b o t t o m 视频处理的存储器操作6 0 4 2 5p a g ef l i p p i n g 格式的3 d 视频处理6 8 4 2 5 1p a g ef l i p p i n g 视频结构分析6 8 4 2 5 2p a g ef l i p p i n g 视频处理的存储器操作6 8 4 3 板载单片机的编程7 l 4 4 调试用p c 机控制软件的设计7 2 4 5 本章小结7 4 8 ， 华东师范大学硕士学位论文 第五章实验结果和结论。7 5 5 1 实验结果分析7 5 5 1 1f l e a 资源使用情况7 5 5 1 2 支持的3 d 视频格式总结7 5 5 1 3 主观测试结果分析。7 6 5 2 总结和展望7 7 附录一8 0 参考文献8 l 致谢8 2 攻读学位期间发表的学术论文8 3 9 国内也上映了第一部3 d 电影 魔术师的奇遇。可以说自电影发明以来，人们对于 立体影像的追求就一直没有停止过。早期的胶片技术成本高、后期制作困难，所以 3 d 并没有成为主流。直到今天，高速发展的半导体技术和数字技术，逐步解决了包 括拍摄、制作、存储、发行和显示等各个环节的关键问题，3 d 技术才又重新登上历 史舞台，并将成为继高清显示后的下一代主流显示技术。3 d 是t h r e e d i m e n s i o n a l 的缩写，意指三维立体图形。3 d 技术涵盖了从图像产生到再现的各种技术，这其中， 3 d 显示技术是最关键的一环。 3 d 显示的原理是利用了人的视觉移位特性，人的双眼大约有7 c m 的间距，因此 观察一个物体时，两眼的成像会有些微的差异，这个差异被称为视差。大脑能解读 这种视差，并借以判断物体的远近和产生立体视觉。当景物距离非常远的时候( 比 如月亮) ，因为没有了视差，立体感也就随之消失了。3 d 影像的拍摄或是制作都是 基于视差原理的，而3 d 显示技术的关键就在于如何将两眼的图像分离。目前主流 的3 d 显示技术可以分为眼镜式和裸眼式两大类。裸眼式3 d 显示技术一般是利用高 透过率高精密度的柱面透镜( 光栅) ，将一幅由若干角度拍摄的合成图像( 一般用9 个物理像素显示1 个3 d 像素) 按特定角度散射开来，从而让观众双眼形成视差， 获得立体感觉。这种技术以牺牲分辨率为代价，而且片源极其有限，目前主要用于 公共场合，将来还会应用到手机等便携式设备上。在家用消费领域，无论是显示器、 华东师范大学硕士学位论文 电视领域的主流，效果最好，但其眼镜成本也最高。主动快门式眼镜的镜片由两片 可控液晶片组成，在观影过程中会快速交替地开关，与屏幕上的左右眼图像同步。 1 1 1 裸眼式3 d 显示 所谓裸眼式3 d 显示，是指在不配戴任何特殊配件的状态下用裸眼就能直接观看 到立体的效果。由于不配戴眼镜，因此该技术的重点就在于设计出特殊的屏幕来实 现双眼视差。 一种比较常见的方法是在普通屏幕表面加一层柱状光栅阵列，利用透镜的折射原 理来控制光线的行进方向，从而使左 右眼接收来自不同方向的光线。因 此，左右眼图像要以纵向方式交错排 列，而在实际应用中，为了满足尽可 能大的可视角度，常常会用多幅图像 来制作。柱状光栅技术历史久远，应 用范围也相当广泛，包括平面印刷或 是平板显示器都能运用此方式来呈 现3 d 立体画面。除了呈现立体影像 之外，柱状光栅还能用来呈现随观看 角度改变而变化的影像，这一技术被 广泛用作防伪标签设计。由于柱状光 图1 1 柱状光栅式裸眼3 d 原理 栅可以在多个角度下产生立体效果，因此可以适用于多人观看的应用，不过在不合 适的角度观看时会出现影像重叠的状况；另外，柱状透镜一般是固定贴附在屏幕表 面的，而且是以单一方向排列，因此无法切换显示模式，水平解析度还会随可视角 度增加而大打折扣，片源的制作也很复杂。目前，该项技术仅限于公共场合的展示 用途( 广告等) ，今后可能会向个人化小型化的方向发展，如手机、平板电脑等。 针对柱状光栅技术的缺点，也出现了一些改进型的裸眼3 d 方式，比如夏普与日 立推出的视差屏障式3 d 技术。这种技术将液晶屏障与触控薄膜整合在一起，可以 通过控制液晶屏障来切换2 c i 3 d 显示模式，但是仍然不能解决水平解析度下降的问 华东师范大学硕士学位论文 题。 裸眼式3 d 技术虽然用途有限，但是研究很热，各种新技术层出不穷。其类型可 分为时分式和空分式两大类，前者包括指向性背光分时技术，后者包括多平面式、 深度融合式等技术。当未来主流显示分辨率达到4 k ( 水平分辨率在4 k 像素以上) 级别后，裸眼式3 d 解析度不足的问题将得到解决，可以想象，届时裸眼式3 d 显示 将会有更广阔的应用空间。 1 1 2 眼镜式3 d 显示 无论是应用于影院还是家庭，目前眼镜式3 d 技术都是绝对的主流。 眼镜式3 d 技术主要分为三种类型：色差式、偏光式和主动快门式( 也称色分法、 光分法和时分法) 。 色差式3 d 技术( a n a g l y p h i e3 d ) ，配合使用的是被动式红一蓝( 或者红- 绿、红- 青) 滤色3 d 眼镜。这种技术历史悠久， 图1 2 红蓝3 d 眼镜 成像原理简单，实现成本相当低廉，眼镜 成本仅为几毛钱，但是3 d 画面效果也 是最差的。色差式3 d 先由旋转的滤光轮 分出光谱信息，使用不同颜色的滤光镜 片进行画面滤光，使得一张合成图片能 产生出两幅图像，人的左右眼睛就能看 见不同的图像。这样的方法会大大降低 亮度，色彩极不自然，而且容易使画面边缘产生偏色。 偏光式3 d 技术也叫偏振式3 d 技术( p o l a r i z a t i o n3 d ) ，配合使用的是被动式偏 光眼镜。偏光式3 d 技术的图像效果比色差式好， 而且眼镜成本也不高，目前电影院普遍采用的即是 该类技术，缺点是对显示设备的要求较高。偏光式 3 d 是利用光线有振动方向的原理来分解原始 图像的，先把图像分为垂直方向偏振光和水平方向 偏振光两组画面，然后3 d 眼镜左右分别采用不同 图l - 3 偏光式3 d 眼镜 偏振方向的偏光镜片，这样人的左右眼就能接收两组画面，呈现立体影像。偏光式 1 2 范大学硕士学位论文 眼镜的佩戴姿势必须固定才能获得较好的立体 感。新开发的圆偏振式3 d 技术( 例如r e a l d 和m a s t e r l m a g e 技术) 解决了佩戴姿 势的问题，但是总的说来，偏振式3 d 技术的显示器件制造成本太高，而且调试复 杂，并不适合消费电子市场。 主动快门式3 d 技术( a c t i v es h u t t e r3 d ) ，配合使用主动快门式3 d 眼镜。这种 3 d 技术在电视和投影机上应用得最为广泛，资源也最多，而且图像效果出色，受到 图1 4 主动快门式3 d 眼镜 很多厂商推崇和采用，是目前消费电子市场绝 对的主流。不过由于快门式3 d 眼镜价格较高， 影响到了这种技术的推广。主动快门式3 d 主 要是通过提高画面的刷新率来实现3 d 效果 的。左右眼图像按帧连续交错地显示出来，同 时红外信号发射器控制快门式3 d 眼镜的左右 镜片同步地开关，使左、右眼能够在正确的时 刻看到相应的画面，只要刷新率足够高( 通常在1 0 0 h z 以上) ，人眼就感觉不到镜 片开关带来的闪烁。这项技术能够保持画面的原始分辨率，对显示面板没有特殊要 求，技术成本较低，因此广泛应用于电视、投影机以及个人电脑等领域。 基于上述三种基本类型，也出现了一些变种眼镜式3 d 技术。譬如d o l b y3 d 技 术，其基本原理类似于红蓝滤光机制，但是它使用的是光谱滤波，对颜色的区分精 细得多。投射到每只眼睛的光都包含红绿蓝三种成分，但所使用的波长不同，比如 左眼使用的是 r6 2 9 n m ，g5 3 2 n m ，b4 4 6 n m ，而右眼使用的是 1 0 转换( 第四章有详细论述) ，这需要消耗 1 6 帧j 0 8 0 v 分辨率的存储空间，因此选择d d r 2 的存储容量为5 1 2 m b 2 ( 3 2 m * 3 2 b i t s ) ，最多可缓存1 6 帧1 0 8 分辨率的图像； 电源：使用稳定可靠的开关电源芯片l m 2 5 9 6 提供5 v 、3 3 v 、1 8 v 和1 2 v 供 电，使用低噪低压差的l d o 芯片l t l 9 6 3 提供2 5 v 供电，d d r 2 的v 丌和v e r f 供电由低压差负载能力强的l d o 芯片m i c 4 9 1 5 0 提供； 其他外围器件：板载一片8 位单片机( a t m e g a 8 l ) ，主要用于对s i i 7 1 7 1 和s i i 7 1 7 0 进行配置，同时也用于处理用户事务和实验调试；使用一片f l a s h 存储芯片 e p c s l 6 n 作为f p g a 的串行配置器：使用一片e e p r o m 芯片2 4 c 0 2 ，用于存 储自定义的e d i d ( e x t e n d e dd i s p l a yi d e n t i f i e a t i o i ld a t a ，扩展显示标识数据) ； 此外还包括复位管理芯片m a x 8 1l ，4 个l e d 和4 个拨动开关。 图3 2d l pc h e c kb o a r d 硬件结构 华东师范大学硕士学位论文 3 2 高速电路的设计 本设计中大部分电路的工作频率都很高，其中d d r 2 的数据速率达到4 0 0 m b p s ， 为了保证信号完整性，硬件电路设计中制定了非常严格的约束规则，以保证高速系 统的稳定可靠。 3 2 1 信号特性分析 表3 i 高速信号列表 信号名频率( h z )说明 r xt m d sv i d e os i g n a l s1 4 8 5 m d v i 输入的4 对差分信号 t xt m d sv i d e os i g n a l s1 4 8 5 m d v i 输出的4 对差分信号 r xim lv i d e os i g n a l s1 4 8 5 m s i i 7 1 7 1 输出给f p g a 的i ，唧，信号 t xl v t t lv i d e os i g n a l s1 4 8 5 mf p g a 输出给s i i 7 1 7 0 的i 舢，信号 d d r 2d a t as i g n a l s4 0 0 m d d r 2 的数据信号( 包括d m 和d q s ) d d r 2a d d r e s ss i g n a l s2 0 0 m d d r 2 的地址信号 d d r 2c l o c k2 0 0 m d d r 2 的差分时钟信号 d d r 2c o n t r o ls i g n a l s2 0 0 m d d r 2 的控制信号 表3 1 列出了所有的高速信号，在多层板结构下，这些信号走线都将在内层，并 具有完整的参考层。 3 2 2 叠层结构 为了减少成本，在满足信号完整性要求的前提下，使用了6 层板结构。 觜| 撕l t h i e l 删 h 蚋雄 燃| ，| 般l 蝴黼l 铲| 砷u协h 州 1 s u r f 蛾 脚r10 2如pc o n d u c t o rp p e r- 1 髑姗1o0s 5 3 4 4 门 3圈啊嘲暇臻辅啊嬲 f i r - 404 5& 临 4油阿硼 0 7两哪!0 0 笛d 讯0 ot 5n 55 自岫n d u c t o rc o p p e r1 4筠洲1n 唠口 t 0 t 阳 6 f r - 44 0dt so 瞄7 g 目籼c o n o u c t o rc o p p i e f l4舅嘲1a 哺。曩，t 荫e 嬲隳牵麓霸静嘲f i r - 4405d 瞵， h 呃r阱r0 7嘲鲫 1o 瞵口 一 0 f f i - 4 ot 5n 晡 n d u c t o rc o p i _ e r1 蚺鲫da& 鬟1 1 2t t o s u r 懈 蝴1 01 3 f 翟 。 - 一| 撕l 肾l 憋l 一 s i 日 limml) | 晰撕| 5 嘲洲器| s 棚详 c 1o1 。c o n o u c r o r 1 o& e d g eb 2 q 童9 嚣；目僻 44 58 53 d 70 5帅 4 4 5n 0 3 5 5 1 410 5e i _ ；el 7 0 0弧8 7 4 6甜目州c o n d u c t o r 柏4 5b 0 3 57 i410 瞒e d 6 el 一7 * 3b嗣甜2( 3 0 n d u c t o r s0 0 3 59 tb 瞄一 1 0p 帆嘲 0 y 4 5n 0 驾1 1 1 o6 e d 6 e i j n 舞9 1 2k r r l o m、c o n o u c t o r1 o1 3瓢并雨娃 锰 ”。 5 0 欧姆左右，而 以得到线宽以及 华东师范大学硕士学位论文 3 2 3 布线策略 除按照叠层结构中设定的线宽、线间距规则外，还需要包括传播时延、走线参 考层、电源完整性等多方面的约束考虑。 表3 2 高速信号线传播时延约束 s i g n a ln a m e t o t a ll e n g t h ( m i l ) t o l e r a n c e ( r a i l ) p h a s et o l e r a n c e ( m i l ) r xd i f fs i g n a l s1 5 5 6 5 0 1 0 0 t xd i f fs i g n a l s1 5 7 0 5 0 1 0 0 r e cr ，g b2 9 7 0 5 0 n a t r ar o f b4 7 5 0 5 0 n a r e cl s4 6 4 05 01 0 0 t r al v d s3 2 5 05 0l o o d d r 2d q1 0 2 85n a d d r 2a d d1 6 1 0 2 0 n a 表3 2 所列的高速线都走在内层( s i g n a l l 和s i g n a l 2 ) ，其中s i g n a l l 层的主要参 考层为g n d ，是最完整的参考层；s i g n a l 2 层的主要参考层是p o w e r ，这一层在进 行电源分割的时候考虑到了s i g n a l 2 层的高速信号线，尽量保证它们都有连续的回流 路径。 暖 弦搦幽豳甄豳i 翻隅豳搦瀚豳 !曩 p i 臣翻鞫豳爨獭圈嬲鬣弱勰隧臻嚣霞骝霾强 爱 渤演j 一闹豳隅 隔臣l 雕黝 i 脚圜啊 i 蕴 i曼勇强l8 豳墨琵 l 啊e 墨 一曩飘隧黝麟豳 l _ 誉 黼霉 翻 l l i n 霹瑷igl i k i 嘲西麓籀貔琵弱驻荔戮琵滋糍滋缢餮缓缓缓鬣缁一 图3 5 电源层分割 这罩着重介绍一下d d r 2 部分的电路设计。e p 3 c 1 6 f 4 8 4 c 6 其有8 个b a n k 。萁 华东师范大学硕士学位论文 图3 6d d r 2 布线拓扑结构 d d r 2 ，由于两片d d r 2 是并行工作，因 此除数据信号 d q 、d q s 、d m ) 以外的 信号走线( 时钟、地址和控制信号) 都采 用了t 型拓扑结构嘲，如图3 6 所示。 d d r 2 的数据线( d q 、d q s 、d m ) 内建了终端匹配电阻( o d t ，o n - d i e t e r m i n a t i o n ) ，这使得d d i 也的电路设计比 d d r 要简单许多。数据信号的走线只需考 虑特征阻抗，而且这部分走线的传播时延 约束最严格( 误差小于5 r a i l ) ，长度也是 最短的，如图3 7 所示。 地址和控制线( a d d r 、c 也) 没有 内建终端匹配电阻，因此需要外接匹配电阻，如图3 8 所示。 图3 7d q 、d q s 、d m 阻抗匹配策略 图3 8a d d r 、c t r l 阻抗匹配策略 3 3 调试和性能分析 硬件制作完成后，需要按以下步骤进行调试： 1 ) 电源调试：电路设计时，己考虑到了电源调试需求，对每一路电源都采用了 磁珠连接的方式，隔离开源端和负载端。待确认电源工作正常、确认电路没 有短路后，再焊上磁珠给负载上电； 2 ) f p g a 调试：确定电源和复位是否正常，使用q u a m si i 自带的y f a g 调试 工具y i a gc h a i nd e b u g g e r 检验j t a g 口是否正常工作，编写测试程序，让 u d 闪烁，从而验证晶振工作正常； 3 ) 单片机调试：确定电源正常工作及下载线配置正确； 4 ) e d i d 烧入：自定义e d i d ( e x t e n d e dd i s p l a yi d e n t i f i c a t i o nd a t a ，扩展显示 标识数据) ，通过1 2 c 接口烧入板载e e p r o m ( 2 4 c 0 2 ) 中，连接p c ，确认 可以识别显示设备d i s p l a yl a b 。e d i d 是一种v e s a 标准的数据格式， 其中包含有分辨率、颜色、频率范围等有关显示设备的各种参数，在调试过 程中这些参数非常重要； 5 ) 视频输入输出调试：通过m c u 配置视频接口芯片工作在c o m p a t i b l em o d e 模式，设置p c 输出1 0 8 0 p 6 0 h z 的视频信号，用示波器观测关键信号( 像 3 l 华东师范大学硕士学位论文 素时钟、数据和控制信号) 时序。编写b y p a s s 功能的测试程序下载到f p g a ， 确认视频输入输出都正常工作； 6 ) d d r 2 调试：编写测试程序下载到f p g a ，功能是往d d r 2 写入一段随机数 据，再读回来作比较，以验证d d r 2 工作是否正常。d d r 2 的数据位眼图如 图3 9 和图3 1 0 所示。将待测数字信号输入示波器的y 轴，调整示波器的 水平扫描周期与码元定时同步并适当调整相位，使波形的中心对准采样时 刻，这样待测的波形重叠在一起，形成类似眼睛的图形，被称为眼图( e y e d i a g r a m ) 。观察眼图主要是为了得出两个重要指标：码间串扰和噪声。如图 所示，眼睛张的足够大( 写眼图为1 4 v ，读眼图为1 8 v ) 且端正，表明 码间串扰很小；而线迹清晰且窗口区域较大，表明噪声较小。 5 ! ! j 鱼叫e ， 尊一上二一三二上 图3 9d d r 2 写数据眼图 图3 1 0d d r 2 读数据眼图 通过测试得出结论，该硬件设计完全达到了高速系统的要求。电路板实物如图 3 1 1 所示。 3 4 本章小结 图3 1 1d l pc h e c kb o a r d 实物图 h d m l l 4 a 于2 0 1 0 年3 月份发布，一方面标准本身还有待完善和改进，另一方 面a s i c 的投入大、周期长，因此短时间内还不会出现完全支持h d m l l 4 a 标准的 a s i c 产品。在这种情况下，f p g a 可以说是唯一可行的办法。据笔者的了解，市面 上在售的3 d 电视，拆开后里面的核心处理器都是f p g a ，由此可见一斑。 本文提出的硬件方案有两大特点：l 、以f p g a 作为核心处理器，利用其灵活性 和高性能来完全支持8 种3 d 视频格式：2 、成本低、效率高。这两个特点可以从芯 片选型、电路板设计等各方面看出来。 3 3 华东师范大学硕士学位论文 第四章软件设计 4 1f p g a 编程基本架构 簧b i 协 一l n r f o o d d 卜 - - - | o u tf i f oo d d 卜 r g 8 d d r 2 b 嗽 c o m m l 一l a f i f o e v e = 卜枷f i f o e 十 lf - i j e l c 撇 p l ld d f t 2v | d m c m t t m ld 惭c o m r o l s c l lf s d 控cd d 贮e 脚i 雠rl s l a v e如瞳 s 烨 r 一 一一i 椭n 脚皿印3 c l mi f 图4 1n ，g a 功能框图 图4 1 展示了f l e a 编程的基本架构，详情参见附件一：f p g a 设计的寄存器传 输级结构框图。 接下来将分成四个小节分别介绍各个模块的功能和设计方法。 4 1 i 视频输入模块 视频信号包含时钟( p i x e lc l o c k ) 、数据( 3 0 b i t sr g b ) 和控制( h s y n c 、v s y n c 、 d a t ae n a b l e ) 信号三部分。由于s i l 7 1 7 1 的信号输出是同步于像素时钟的上升沿， 所以在接收端，必须用下降沿进行重采样。 a l w a y s ( n e g e d g ep i x e lc l k ) 岫 h s y n c p i p e - h s y n c _ _ p i p e o ，r e c s 、r n c ； v s y n c _ p i p e # v s y n c _ p i p e 0 ，r e c ) s y n c ； d e _ p i p e d ep i p e 0 ，r e c _ d e ； d a t a _ p i p e - d a t a _ p i p e 2 9 ：0 ，r e c r e d ，r e c r e e n ，r e c - b l u e ； 大学硕士学位论文 e n d 削掣厂、_ 、厂、厂、厂、 llll l lil ll o r i 毋腿l d a t a 图4 2 视频信号的重采样 重采样后的数据要送入h f o 缓存，h f o 的作用有两个：l 、解决跨时钟域的问 题，将像素时钟域( 1 4 8 5 m h z 或7 4 2 5 瑚z ) 的数据同步到系统时钟域( 2 0 0 z ) ； 2 、将奇偶像素分开。使用了两个大小为1 0 2 4 * 6 4 b i t s 的异步h f o ，缓存空间略大于 两行像素( 2 1 9 2 0 3 2 b i t s ) ，这样设置的目的是为了避免h f o 的溢出( o v e r f l o w ) 。 奇偶像素的分流则是通过控制f i f o 的写使能来实现的，如图4 3 所示。 3 5 华东师范大学硕士学位论文 酬一八几八八八八几几 l ，- _ _ 斗 弋 l 膳 l lilil i l 1 i l i i i l 1 一 一j 工# 2l 王3 i 4 j i 口i 工l # i w r 嘲o i l li 厂弋i 厂1 1 厂弋i ：n inn 一i _ - i _ 一一i 、_ 一 i 、一 liiillli w r _ d i m 图4 3 奇偶像素的分流 i nf i f oo d d 和i nh f oe v e n 分别用来缓存一行奇像素和一行偶像素，大小为 9 6 0 * 3 2 b i t s ( 实际的数据位宽为3 0 b i t s ，因此最高2 b 虺填充o ) ，后文若非特别指出， 一行均是针对h f o 缓存一次的数据量而言，实际上等于半行像素数据。 4 1 2d d r 2 控制模块 d d i 匕控制模块的设计思想是：及时响应i i lh f o 和o u th f o 的数据请求，将 i nh f o 送过来的奇偶像素按一定的方法分别存入指定的存储空间，再按照算法读 取至o u th f o ，从而实现像素交叉的功能。 d d r 2 的控制是通过两个状态机来实现的，其中d d r 2d r i v e r 的状态机负责连 接d d r 2c o n t r o l 和d d r 2l n