AXI4S視頻IP介紹及系統設計指南（一）

本文主要介紹使用AXI4S（AXI4-Stream）接口的視頻IP細節。

介紹

本文總結了AXI4S接口視頻協議，該協議在視頻IP中的應用，其中AXI協議參考：

對于做過BT.1120總線的，這部分學習起來一點問題沒有，只不過信號名稱稍微修改了一下。

1.1 AXI4-Stream 信號接口

AXI4S攜帶實際的視頻數據（無行場消隱），由主機和從機接口驅動，如Figure 1-1所示。

Figure 1‐1:具有多個AXI4S從(輸入)和主(輸出)接口的視頻IP

空白時段（行場消隱）、音頻數據和輔助數據包不會通過AXI4-Stream上的視頻協議傳輸。Table 1-1 和Table 1-2 中列出AXI4S接口視頻IP需要的所有信號。

Table 1-1 顯示了輸入(從)側連接器的接口信號名稱和功能。為了避免命名沖突，對于具有多個AXI4S輸入接口的IP，信號前綴s_axis_video應該附加到s_axis_videok，其中k是各個輸入AXI4S的索引；例如，對于流0，axis_video_tvalid變為s_axis_video0_tvalid，對于流1，變為s_axis_video1_tvalid。

Table 1‐1:AXI4S視頻協議輸入(從機)接口信號

Table 1-2 顯示了輸出(主)側的接口信號名稱和功能。類似地，對于具有多個AXI4-Stream輸出接口的IP，信號前綴m_axis_video應該附加到m_axis_videok 之后，其中k是各個輸出AXI4-Stream的索引；例如，對于流0，axis_video_tvalid變為m_axis_video0_tvalid，對于流1，變為m_axis_video1_tvalid。

Table 1‐2:AXI4S視頻協議輸出(主機)接口信號

1.1.1 READY/VALID 握手

每當就緒（READY）、有效（VALID）、ACLKEN和ARESETn信號在ACLK的上升沿為高電平時，就會發生有效傳輸，如Figure 1-2所示。

Figure 1‐2:就緒/有效握手示例，新幀開始

在有效傳輸期間，數據僅攜帶有效視頻數據。AXI4S上的視頻不會傳輸空白時段（行場消隱）和輔助數據包。

1.1.2 幀開始信號（start of frame (SOF)）

幀開始(SOF)信號通過AXI4S TUSER0信號進行物理傳輸，表示視頻場或幀的第一個像素。SOF脈沖是一個有效的事務寬度，并且必須與場或幀的第一個像素一致(Figure 1-2).SOF充當幀同步信號，允許下游內核重新初始化，并檢測場或幀的第一個像素。

1.1.3 行尾信號（End of Line Signal）

行尾(The end of line，EOL)信號通過AXI4S TLAST信號進行物理傳輸，表示一行的最后一個像素。EOL脈沖是一個有效的事務寬度，并且必須與掃描線的最后一個像素一致(Figure 1-3).

Figure 1‐3:EOL和SOF信號的使用

1.2 數據格式

為了傳輸視頻數據，數據格式對物理數據信號的邏輯信道子集進行編碼。視頻模塊之間的AXI4S接口可以有助于使用不同精度(例如，每個顏色通道8、10或12位)和/或不同格式(例如，RGB或YUV 420)以及每個數據拍不同數量的像素來傳輸視頻。

總結就是，數據格式通過AXIS接口的TDATA信號線傳輸，根據傳輸的視頻格式改變信號線的寬度。

1.2.1 AXI4-Stream 特定參數化

視頻IP配置參數在第3章的IP參數化中描述。AXI4S接口視頻協議的具體參數在Table 1-3中列出。

Table 1‐3:AXI4-Stream 特定參數化

C_tk_AXIS_TDATA_WIDTH參數確定AXI4S接口tk上可變寬度接口信號TDATA的寬度，其中接口類型t可以具有指定主或從接口的值[m，s],而可選整數k指定接口ID。通常，C_tk_AXIS_TDATA_WIDTH是分量數據寬度、每個數據拍的像素/樣本數以及實際視頻格式使用的分量數的函數。

組件數據寬度的推薦參數名稱是C_tk_DATA_WIDTH。可選的格式參數C_tk_VIDEO_FORMAT可以幫助IP使用HDL函數確定數據中存在的顏色成分的數量。視頻IP通常在輸入接口上需要特定的格式，并且可以在IP中硬編碼顏色分量通道的數量。然而，當C_tk_VIDEO_FORMAT(由主接口上的默認值設置)在HDL設計中傳播到從接口時，IP源代碼可以使用斷言執行DRC，以確保AXI4S視頻接口由以預期格式編碼的視頻驅動。

1.2.1 編碼

數據位使用[N-1:0]位編號慣例(N-1至0)表示。數據的隱式子字段的組成部分應該緊密地打包在一起；例如，DW=10位RGB數據打包成30位。如有必要，打包后的數據字應使用最高有效位(msb)進行零填充，使數據寬度使是8的倍數整數，如Figure 1-4所示。

Figure 1‐4:多像素TDATA的視頻數據填充

不同格式的詳細表示在Table 1-4中列出，其中DW = C_DATA_WIDTH，VF = C_VIDEO_FORMAT。

Table 1‐4:C_tk_MAX_SAMPLES_PER_CLOCK =1的視頻格式代碼和數據表示

注:對于42和40格式中的任何一種，Cb(或U)和Cr(或V)樣本被分割到兩個數據拍上，但只能在每個時鐘一個樣本的模式下進行。第一個數據拍保持Cb(或U)；第二個數據拍保持Cr(或V)。換句話說，幀的第一個有效像素包含[Cb0:Y0]，下一個像素包含[Cr0:Y1]。40格式在42格式的基礎上增加了垂直子采樣，這是通過省略每隔一行的色度數據在AXI4-Stream上的視頻中實現的（和BT.1120完全類似）。

注:拜耳傳感器數據也稱為原始數據，一般為RAW8/RAW10/RAW12/RAW14/RAW16等格式。

1.2.1.1 多個像素編碼-靜態TDATA配置

當AXI4S攜帶多個樣本/像素時，像素應該從最低有效位(LSB)打包到MSB，例如，最低有效像素應該對應于掃描線中最左邊的像素，或者對應于時間上最早捕獲的像素。例如，如果每個數據拍發送4個樣本/像素，則第一個樣本位于最低有效位，第四個樣本位于最高有效位。

當使用AXI4-Stream上的視頻協議傳輸多個像素或樣本時，與各個像素相關的顏色分量按照下式排列，Table 1-5給出了用于傳輸視頻模式0、1、2、3、12的兩個像素的例子。像素數據被連續打包，像素之間沒有任何填充。當N*DW不是8的倍數整數時，視頻數據在msb上補零，如Figure 1-5所示。

如果行大小不能被每個數據拍的像素/樣本數整除，則行的最后一拍應使用LSB。然后，該行最后一個數據拍的msb中未使用的像素應補零。

Figure 1‐5:TDATA的視頻數據填充 Table 1‐5:視頻格式代碼和數據表示

1.2.1.2 多像素編碼動態TDATA配置

對于視頻IP可以動態改變顏色分量寬度、視頻格式或每個數據拍的像素/樣本數量的應用，像素和分量應該保持在由用于實例化的通用參數確定的靜態位置。例如，如果只有一個像素通過支持每個數據拍最多兩個像素的接口傳輸，則樣本/像素應該與最低有效像素位置對齊。同樣，如果每個器件只有8位通過為每個器件產生的10位接口傳輸，則有效位應MSB對齊，LSB用零填充。

Figure 1-6 和 Figure 1-9中顯示了三個示例。

重要提示:盡管本規范支持動態更改每個數據拍的像素/樣本數，但不建議這樣做，因為并非所有IP都支持此功能。

Figure 1‐6:每個數據拍一個像素，每個器件8位，每個數據拍兩個像素，每個器件總線10位

Figure 1‐7:每個數據拍2個像素，每個器件8位，每個數據拍2個像素，每個器件總線10位

Figure 1-8.捕獲RGB888(具有三個分量的像素，分量寬度為8)。

Figure 1‐8:每個數據拍兩個像素，每個分量八位(RGB888，VF碼2)，每個數據拍兩個像素，每個分量總線14位

注意事項:

每個G、B、R元件位于14位空間，MSB對齊。

Figure 1-9.捕獲RAW14(具有單個組件的像素，組件寬度為14)。

Figure 1‐9:每個數據拍兩個像素，每個元件14位(RAW14，VF代碼12)，每個數據拍兩個像素，每個元件總線14位

注意事項:

雖然RAW14可能僅使用較低的28位，但完整的AXI4S接口仍然是88位，因為在處理動態TDATA時，如果需要，它必須能夠以每種顏色完整的14位切換到RGB。下游邏輯必須意識到這一點，并應提供適當的總線接口，然后在內部丟棄不使用的位。

比較Figure 1-8 和Figure 1-9中的兩種數據類型組件寬度，RAW14，VF Code 2數據類型具有14位組件和RGB888 (VF Code 2) 8位組件。

因此，RGB888元件在14位元件總線上以MSB對齊、LSB補零的方式放置。此外，RAW14像素緊密地封裝在一起。

1.2.2 多像素編碼示例

AXI4S視頻接口支持每時鐘雙像素或四像素，對于RGB、YUV444和YUV420色彩空間，每個分量有8位、10位、12位和16位。當參數“每個組件的最大位數”設置為16時，Figure 1-10 顯示了完全符合AXI4S視頻協議的每時鐘四像素數據格式。

Figure 1‐10:四像素數據格式(每個分量的最大位數= 16)

每時鐘雙像素的數據格式完全兼容AXI4S視頻協議，如Figure 1-11所示。

Figure 1‐11:雙像素數據格式(每個組件的最大位數= 16)

當參數“每個分量的最大比特數”設置為12時，每個分量的實際比特數大于12的視頻格式將被截斷為每個分量的最大比特數。剩余的最低有效位被丟棄。如果每個器件的實際位數小于Vivado IDE中設置的每個器件的最大位數，則所有位都以MSB對齊方式傳輸，其余LSB位以0填充。這適用于所有每個組件的最大位數設置。

舉例來說，當每個組件的最大比特數被設置為12時，Figure 1-12 顯示了完全符合AXI4S視頻協議的每時鐘四像素數據格式。

完全兼容的每時鐘雙像素AXI4S視頻協議的數據格式如Figure 1-13所示。

Figure 1‐12: 四像素數據格式(每個分量的最大位數= 12)

Figure 1‐13:雙像素數據格式(每個組件的最大位數= 12)

當參數“每個分量的最大比特數”設置為12時，每個分量的實際比特數大于12的視頻格式將被截斷為每個分量的最大比特數。剩余的最低有效位被丟棄。如果每個器件的實際位數小于Vivado IDE中設置的每個器件的最大位數，則所有位都以MSB對齊方式傳輸，其余LSB位以0填充。這適用于所有每個組件的最大位數設置。

Table 1‐6:每個組件支持的最大位數

舉例來說，當每個組件的最大比特數被設置為12時，Figure 1-14 顯示了完全符合AXI4S視頻協議的每時鐘四像素數據格式。完全兼容的每時鐘雙像素AXI4S視頻協議的數據格式如Figure 1-15所示。

Figure 1‐14: 四像素數據格式(每個分量的最大位數= 12)

Figure 1‐15:雙像素數據格式(每個組件的最大位數= 12)

視頻接口還可以傳輸YUV420色彩空間中的四像素和雙像素。

類似地，對于YUV 40深色(10、12或16位)，數據表示是相同的。唯一的區別是每個組件攜帶更多的位(10、12和16)。當使用AXI4-Stream傳輸時，數據表示需要符合UG934中定義的協議。借助重新映射功能，相同的原生視頻數據將被轉換為AXI4S格式，如Figure 1-16所示。40格式在42格式的基礎上增加了垂直子采樣，這是通過省略每隔一行的色度數據在AXI4-Stream上的視頻中實現的。

Figure 1‐16: YUV 40 AXIS流視頻數據(每時鐘雙像素)

注意:對于RGB/YUV444/YUV422，視頻數據直接從AXI4S映射到原生視頻接口，沒有任何行緩沖。因此，Figure 1-12 到Figure 1-15 通常表示AXI4S和本地視頻的數據接口。圖中省略了控制信號。

該子系統利用配置參數、每個元件的最大位數和每個時鐘的像素數，提供了構建系統的充分靈活性。設置這些參數，以便目標設備支持視頻時鐘和鏈路時鐘。例如，當選擇每時鐘雙像素時，與每時鐘四像素設計相比，AXI4S視頻需要以更高的時鐘速率運行。在這種情況下，系統更難滿足定時要求。因此，對于旨在發送更高視頻分辨率的設計，建議使用每時鐘四像素數據映射。

某些視頻分辨率(例如720p60)的水平定時參數(1650)不是4的倍數。在這種情況下，必須選擇每時鐘雙像素數據映射。

審核編輯：郭婷