MPEG-2編碼復(fù)用器中的FPGA邏輯設(shè)計(jì)

方案綜述:

　　MPEG-2編碼復(fù)用器主要由DSP（數(shù)字信號處理器）和FPGA兩大部分組成。其中,DSP作為整個系統(tǒng)的主控單元,而FPGA則完成相應(yīng)的輔助邏輯功能。用FPGA實(shí)現(xiàn)的編碼復(fù)用器,具有設(shè)計(jì),升級都非常方便,快速的特點(diǎn),提高了工作效率。

FPGA芯片簡介

　　編碼復(fù)用器中所使用的FPGA芯片是美國Altera公司生產(chǎn)的FLEX10K50V。 Flex10K系列是Altera公司在FLEX8000系列基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型器件。它的結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)除了主要的邏輯陣列塊(LAB)之外,首次采用了嵌入陣列塊(EAB)。 FLEX10K50V的主要特性指標(biāo)為:

　　●邏輯門數(shù)目為50,000門;

　　●最大I/O引腳數(shù)為274個;

　　●提供-1,-2,-3,-4四種速度級別;

　　●觸發(fā)器數(shù)目為3,184個;

　　●LE(Logic Element,邏輯單元)數(shù)目為2,880個;

　　●總的RAM為20,480bits。

MAX+ PLUS II開發(fā)工具

　　MAX+ PLUS II是開發(fā)Altera公司FPGA產(chǎn)品(包括MAX系列和FLEX系列)的軟件工具包。利用MAX+ PLUS II提供的設(shè)計(jì)環(huán)境和設(shè)計(jì)工具,可以靈活高效地完成各種數(shù)字電路設(shè)計(jì)。在MAX+ PLUS II的設(shè)計(jì)環(huán)境下, FPGA的整個設(shè)計(jì)流程如圖1所示:

　　1. MAX+ PLUS II的設(shè)計(jì)輸入可以有三種方式,即圖形輸入,文本輸入和波形輸入。此外,符號編輯器用于編輯用戶自己的模塊符號。需要說明的是: 在本系統(tǒng)中,我們使用AHDL(Altera，HDL) 語言作為文本輸入方式。

　　2. 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)即在FPGA器件內(nèi)物理地實(shí)現(xiàn)所需地邏輯.這個過程由MAX+ PLUS II中的核心部分編譯器完成。它依據(jù)設(shè)計(jì)輸入文件自動生成用于器件編程、波形仿真、延時分析等所需的數(shù)據(jù)文件。

　　3. 設(shè)計(jì)仿真是由仿真器和時延分析器利用編譯器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)文件，自動完成邏輯功能仿真和延時特性仿真。通過仿真,發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的錯誤與不足,對設(shè)計(jì)輸入進(jìn)行修改和完善,最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

　　4. 在仿真結(jié)果正確以后,就可以進(jìn)行器件編程,即通過編程器(Programmer)將設(shè)計(jì)文件下載到FPGA芯片中,在實(shí)際芯片中進(jìn)行實(shí)際信號的時序驗(yàn)證,就芯片的實(shí)際運(yùn)行性能進(jìn)行系統(tǒng)測試。

復(fù)用器中的FPGA邏輯設(shè)計(jì)

　　在MPEG-2編碼復(fù)用器中,FPGA所實(shí)現(xiàn)的邏輯功能主要是:

　　(1)系統(tǒng)上電后,完成對其他器件(如DSP、、FIFO)的復(fù)位;

　　(2)響應(yīng)系統(tǒng)主控單元DSP的指令,從相應(yīng)的輸入FIFO中讀取TS流數(shù)據(jù),做并串變換后傳輸至DSP的串行輸入口;

　　(3)由于復(fù)用器必須對進(jìn)入該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送流(TS流)中的程 序參考時鐘域(PCR域)中的數(shù)值進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)數(shù).因此,FPGA還需要完成:

　　a.在復(fù)用器的數(shù)據(jù)傳送流輸入端檢測PCR域并紀(jì)錄PCR域初值;

　　b.在復(fù)用器的數(shù)據(jù)傳送流輸出端檢測PCR域并將經(jīng)過補(bǔ)償計(jì)數(shù)后的PCR的新值 裝載進(jìn)PCR域；

　　(4)其他一些邏輯。

　　1、輸入輸出FIFO的復(fù)位模塊

　　輸入輸出FIFO復(fù)位模塊較為簡單.它由文本輸入方式實(shí)現(xiàn),內(nèi)部主要由計(jì)數(shù)器和D觸發(fā)器組成。它對電路的控制主要包括:整個系統(tǒng)上電后,主控單元DSP通過I/O端口向FPGA發(fā)出FIFO復(fù)位的指令, FPGA通過地址譯碼,產(chǎn)生RSFIFO信號.RSFIFO作為計(jì)數(shù)器內(nèi)部的清0端信號,CLK38(全局時鐘信號)作為計(jì)數(shù)器的時鐘信號,并引導(dǎo)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到一定數(shù)值時,再連通D觸發(fā)器先后產(chǎn)生RESET(輸入輸出FIFO復(fù)位信號)以及FO_ENA(輸出FIFO讀允許信號),完成了FIFO復(fù)位模塊的邏輯時序.

　　2、并/串轉(zhuǎn)換模塊

　　圖3是并串模塊的上層圖。其I/O引腳情況見表1：

　
表1 并/串轉(zhuǎn)換模塊I/O引管腳說明

管腳名稱	管腳功能
CLK38	并串模塊工作時鐘
HF	輸入FIFO半滿信號
Q[8...0]	TS流并行數(shù)據(jù)信號
P——CLK	TS流串行數(shù)據(jù)包同步信號
S——DATA	TS流串行數(shù)據(jù)信號
S——CLK	TS流串行數(shù)據(jù)時鐘信號
FIFO——R——CLK	輸入FIFO讀時鐘信號
CLK——CONTROL	輸入FIFO讀時鐘控制信號

　　由于MAX+PLUSII的老式宏函數(shù)中只提供了作4、5、8位和16位并串變換的移位寄存器 ,而此處系統(tǒng)完成的是9位并串變換(8位數(shù)據(jù)位加1位包同步位),因此必須自己編寫tdf文件,而不能直接調(diào)用宏函數(shù)。具體的功能實(shí)現(xiàn)為：

　　選擇使用9個D觸發(fā)器，將它們相互連通組成9位的移位寄存器。一旦產(chǎn)生輸入FIFO的半滿信號（HF），模塊開始工作，將輸入FIFO中的9位并行數(shù)據(jù)讀入移位寄存器中，在CLK38的工作時鐘控制下，將9位數(shù)據(jù)順序串行移出產(chǎn)生S_DATA(TS流串行數(shù)據(jù))。并且，在模塊中還設(shè)置了一個4位計(jì)數(shù)器A。計(jì)數(shù)器A同樣在CLK38的工作時鐘控制下，整體模塊開始工作時開始同步計(jì)數(shù)。每計(jì)數(shù)到9時計(jì)數(shù)器清0，并輸出一個高電平信號。而在其他計(jì)數(shù)值時，該信號輸出為低電平。那么，產(chǎn)生的這個信號就是TS流的串行數(shù)據(jù)包同步信號(P_CLK)。而TS流串行數(shù)據(jù)的時鐘信號(S_CLK)，很顯然就是CLK38。

　　此外，將CLK38時鐘進(jìn)行8分頻作為輸入FIFO的讀時鐘信號(FIFO_R_CLK)。而輸入FIFO讀時鐘的控制信號（CLK_CONTROL），則由模塊中設(shè)置的另外一個計(jì)數(shù)器B來產(chǎn)生，確保輸入FIFO一次半滿后，F(xiàn)PGA只從其中讀取該FIFO最大容量之一半的數(shù)據(jù)。例如：在本系統(tǒng)中，輸入FIFO的最大容量為512個字節(jié)。那么，設(shè)置的計(jì)數(shù)器B就必須是一個9位計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時鐘為FIFO_R_CLK,從輸入FIFO半滿，F(xiàn)PGA啟動讀數(shù)時開始計(jì)數(shù)。每計(jì)數(shù)到256（輸入FIFO容量的一半）時計(jì)數(shù)器清0，并將輸入FIFO讀時鐘的控制信號（CLK_CONTROL）置為低電平，從而禁止再產(chǎn)生輸入FIFO讀時鐘信號。

　　3、PCR補(bǔ)償計(jì)數(shù)模塊

　　根據(jù)MPEGII標(biāo)準(zhǔn)，TS流中的PCR域共有42位有效碼字，由兩部分組成：一部分以系統(tǒng)參考時鐘的1/300（90KHZ）為單位，稱為program_clock_reference_base,33字段；另一部分稱為program_clock_reference_extension, 以系統(tǒng)參考時鐘（27MHz）為單位的9位字段。

　　因此,整個PCR補(bǔ)償計(jì)數(shù)模塊分為兩大部分：一部分是9位字段(E0～E8)的PCR域補(bǔ)償計(jì)數(shù)模塊，由一個8位計(jì)數(shù)器（調(diào)用宏函數(shù)8COUNT）和一個4位計(jì)數(shù)器（調(diào)用宏函數(shù)74161）組成。其中，8COUNT的計(jì)數(shù)時鐘為27MHz時鐘（由硬件電路中的27MHz晶振提供）；而74161的計(jì)數(shù)時鐘則為8COUNT提供的最高位進(jìn)位時鐘（由8COUNT中的最高位E7取反后得到）；另一部分為33位字段（Q32～Q0）的PCR域補(bǔ)償計(jì)數(shù)模塊，由4個8位計(jì)數(shù)器（調(diào)用宏函數(shù)8COUNT）和一個4位計(jì)數(shù)器（調(diào)用宏函數(shù)74161）組成。其中，74161的計(jì)數(shù)時鐘為27MHz時鐘300分頻后得到的90KHZ時鐘，它只對33位字段中的最低位Q0進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)數(shù)。第一個8COUNT的計(jì)數(shù)時鐘為74161的Q0位的進(jìn)位時鐘（由Q0取反后得到）；而其他3個8COUNT的計(jì)數(shù)時鐘則分別為前一個8COUNT的進(jìn)位時鐘（即分別由Q8,Q16,Q24取反后得到）。

　　4、復(fù)用系統(tǒng)FPGA邏輯設(shè)計(jì)中一些技巧

　　在該系統(tǒng)FPGA邏輯設(shè)計(jì)過程中,由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,整個FPGA邏輯設(shè)計(jì)也比較大,所以在作邏輯設(shè)計(jì)時,一般應(yīng)有一個整體的考慮。具體作設(shè)計(jì)時，應(yīng)該采用層次化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。另外，還必須結(jié)合整個系統(tǒng)的特點(diǎn)，有意識的對FPGA中邏輯設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和精簡。例如：檢測TS數(shù)據(jù)流的包同步字0X47，由于該同步頭字節(jié)并不是唯一的，中間可能有碼字也恰為其值。因此，一般情況下，F(xiàn)PGA搜索同步碼字的邏輯如下：首先找到第一個0X47，然后進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)到187字節(jié)后，再檢測是否為0X47，如果是，輸出包同步信號；接著每隔187檢測一次，如是0X47，則繼續(xù)輸出包同步信號，如不是，則從事開始搜索0X47。

　　而在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，并沒有采用這種方法，而是利用了I/O FIFO的9比特特性，F(xiàn)PGA直接搜索9位包同步字節(jié)0X147。另外，在PCR域補(bǔ)償計(jì)數(shù)的模塊中，也存在一個PCR域確認(rèn)的問題。PCR域的長度為6個字節(jié)48位碼字（42位有效碼字加6位保留位），在FPGA已經(jīng)裝載PCR域的初值后，完全可以將PCR域中的6個字節(jié)改為預(yù)先設(shè)定好的協(xié)議碼字（當(dāng)然，它們必須對于碼流而言是唯一的）。這樣，在TS碼流輸出端進(jìn)行將補(bǔ)償計(jì)數(shù)后的PCR數(shù)值重新裝載進(jìn)PCR域的工作時，F(xiàn)PGA不僅能夠很方便的識別出PCR域的具體位置，而且還可以從這些協(xié)議碼字中讀出較多的復(fù)用信息。

　　簡潔而有效的FPGA邏輯設(shè)計(jì)，可以使系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性得到很大的改善。