原创高速数字IO卡在数字视频算法测试平台中的应用

 2009-9-28 11:00  2262 2 2 分类: 测试测量

1 平台需求

随着数字电视、数字视频的发展，不断推陈出新的数字视频设备，对测试设备及测试手段提出了越来越高的要求。本系统的主要目的是为研发的数字视频播放设备提供必要的高数据量的测试平台，针对目前算法测试和开发的要求，在编码前期快速完成算法的评估，及与友商的对比和友商的视频捕获分析。该算法平台需要满足如下要求：

1.1 模型的仿真结果实时播放

支持三通道模拟YPBPR/RGB输出，最高支持1980x1080p@60Hz输出，模拟带宽60MHz；采样时钟为148.5MHz，位宽每通道10bit，加Hsync，Vsync各1bit，所以最大数字带宽为148.5MHzx32bit，594Mbyte/s。
支持CVBS输出,PAL/NTSC，采样时钟为54MHz，位宽为单一通道10bit。
支持HDMI/DVI/LVDS输出，最高支持1980x1080p@60Hz输出，位宽为8bit和10bit两种，其中LVDS为双通道，最大数字带宽同1.1，为594Mbyte/s。
播放过程支持循环播放，高清信号YPBPR 4:4:4，1080i/720p需要空间如下：
以1080i@60Hz为例，1080i显示1帧需要2200x1125个点，1秒需要2200x1125x30个采样点，因此每秒需要的存储空间为2200x1125x30/(2^20)x4(32bit),约283MByte的存储空间，如果为1080p，则空间加倍，为566MB。如果存储空间为4GB,播放高清1080i时间为一个循环周期14.46秒。

1.2 将友商的视频信号输出进行捕获，进行分析

支持PAL，NTSC输入，能捕获CCIR656信号。
支持三通道模拟YPBPR/RGB输入，最高支持1980x1080p@60Hz。
支持HDMI/DVI输入信号捕获，最高支持1980x1080p@60Hz输出，带宽和存储空间同上1.1求。

1.3 能进行AD/DA、HDMI等IP样片的评估

支持灵活的扣板接口，能方便评估。

2 平台实现原理

鉴于以上几点需求，算法平台的实现原理如下图所示：

其步骤为：

a. 将算法模型生成的图像显示数据，存入本地磁盘。

b. 通过PCI/PCI-x总线传送到PCI接口卡中，由于PCIX理论最大传送速率为266MByte/s，无法实时传输高清信号（594Mbyte/s）,所以需要PCI数据卡上有足够大的本地高速内存（4GB）来作为图像数据文件的缓存，再通过逻辑控制，进行单次或循环播放视频图像。以此，本地高速内存的大小决定了播放时间的长短。

c. CI数据卡的读逻辑控制根据外部视频时钟的速率（如1080i是74.25MHz，1080P是148.5MHz等等）读本地内存的文件，通过板上的视频DAC或HDMI输送到电视上显示。同理，该过程也支持数据捕获到计算机的硬盘中。

3 实现方案

PCI数据卡时钟频率较高，协议复杂，建议通过购买方式来获得。现在有两种方案可以实现算法平台的需求。

3.1

采用德国Spectrum M2i.7020的高速数字IO卡组成的方案，如下图所示：

该系统由两部分组成：计算机系统（包括数字IO卡）和Application Board。

3.1.1 计算机系统组成

计算机中插入两块M2i.7020的高速数字IO卡，板上有4GB内存。通过两条32bit位宽线缆同应用板连接；两块高速数字IO卡通过内部同步总线，将同步时钟和触发信号连载一起，从而保障了两块卡间没有延迟的同步读写功能。IO卡的功能如下：

a. M2i.7020的高速数字IO卡的规格如下：

M2i.70xx - 64 bit fast digital I/O with TTL levels

? 16, 32 or 64 bit digital I/O

? 1 kS/s up to 125 MS/s at 16 and 32 bit

? 1 kS/s up to 60 MS/s at 32 and 64 bit

? 110 Ohm input impedance selectable

? Inputs 3.3 V and 5 V TTL compatible, Outputs 3.3 V

? Up to 4 GByte on-board memory

? 256 MByte standard memory installed

? FIFO mode for input and output

? Pattern/edge/pulse width/delay trigger

? Synchronization of up to 16 cards per system and up to 271 cards with system sync

? Options: Multiple Recording/Replay, Gated Sampling/Replay, BaseXIO

? 66 MHz 32 bit PCI-X interface

? 5V / 3.3V PCI compatible

? 100% compatible to conventional PCI > V2.1

? Sustained streaming mode up to 225 MB/s

由于该卡最大能提供32bit的125MS/s，单卡可以播放1080i/720p的视频图像；双卡同步（该卡的选件支持同步5个卡的功能）使用时，数据带宽可以达到1GB/s即可支持1080p的实时播放，因此方案选用2块卡并联使用。

b. IO卡内部结构如下所示：

c. IO卡的时钟：

IO卡支持内部时钟和外部时钟两个方案，我们采用外部时钟方案，在FPGA板上产生视频时钟（如1080i是74.25MHz，1080P是148.5MHz等等），通过同轴屏蔽线引入主IO卡中，主IO卡通过同步BUS（下文描述），无延迟的将时钟传入从IO卡中，实现双卡同步读取数据。

上图为IO卡的时钟级联结构，其中Star-Hub为卡间的同步总线。对于数据输入输出的时钟同步，各个卡间也有随路时钟同步处理以保障高速数据的同步：

d. IO卡的同步使用

该IO卡在硬件上支持多卡同步读写模式，通过卡间专用的同步总线连接来实现。

因此，通过Star-Hub连接后，多卡在用户方可以看成一块卡来使用。其卡上的内存空间可以扩展使用，如每卡配2GB内存，就能使用总共4GB的空间。

e. IO卡的读写模式

该IO卡的数据读写模式有两种：标准模式和FIFO模式。在标准模式中，系统将硬盘中的数据通过PCI-X总线搬运到卡上内存中，在通过软件或外部触发将数据单次或循环输出。在读卡上内存时，跟系统没有关系。如果采用FIFO模式，卡上内存可以看成FIFO，卡能连续的从硬盘中读写数据，不受卡上内存大小限制，但其数据速度受到硬盘和PCI-x总线限制。