基于FPGA的实时视频采集实现+电路原理图(3)
图2.1 视频采集系统架构示意图
视频解、编码芯片采用PHILIPS公司的SAA7113和SAA7121，这两款芯片可使用I2C总线进行内部寄存器配置，已与FPGA相连，芯片的详细介绍详见第三章。
2.1 FPGA介绍
FPGA(FieldProgrammableGateArray)即现场可编程门阵列，在PAL，GAL，EPLD，CPLD等可编程基础上进一步发展的产物，它一般采用 SRAM 工艺，也有一些专用器件采用 Flash 工艺或反熔丝（Anti-Fuse）工艺等。FPGA 的集成度很高，其器件密度从数万系统门到数千万系统门不等，可以完成极其复杂的时序与组合逻辑电路功能，适用于高速、高密度的高端数字逻辑电路设计领域。其电子系统小型化、功耗低、性能高、可靠性好、开发周期短、芯片价格不断下降等优势越来越在数字图像处理技术中得到广泛应用，这也是论文研究的目地和出发点。
FPGA的芯片一般由可编程输入/输出单元(IOB)、可编程逻辑单元(CLB)、内嵌SRAM、底层嵌入式块(BRAM)、布线资源和底层内嵌的功能单元等组成。不同系列的芯片会有所不同，芯片结构如图2.2所示。FPGA的工作原理都是基于SRAM工艺的查找表(Look一Up一Table)结构。目前有基于反熔丝和FLASH两种结构的FPGA。基于反熔丝结构的FPGA只能编程一次，编程后和ASIC一样成为固定器件，虽然不能重复编写但是稳定性很高。基于FLASH结构的FPGA具备反复擦写和掉电后的内容非易失性，因此具有很强的灵活性和可靠性，是目前的主要发展趋势。
图2.2 FPGA芯片内部结构图
目前世界上有十几家生产FPGA 的公司，最大的3家是ALTERA、XILINX、Lattice[7]，在国内市场上常见的是ALTERA与XILINX公司的产品。
2.2 FPGA设计流程
完整的 FPGA 设计流程分为电路设计与输入、功能仿真、综合、综合后仿真、实现、布局布线后仿真、配置下载与调试等主要步骤，设计流程如图2.3所示。
1．电路设计与输入 常用的设计输入包括使用硬件描述语言 HDL、原理图设计和状态图设计等方法。
2．功能仿真 功能仿真是指使用仿真工具对已实现的设计进行完整测试。验证电路功能是否符合设计要求。
3．综合优化 综合优化是指在满足待实现电路的约束条件下，将 HDL语言、原理图等设计输入翻译成由与、或、非门、RAM、触发器等基本逻辑单元组成的逻辑连接，再通过计算机对速度和面积进行逻辑优化，输出 edf和 edn 等标准格式的网表文件，获得一个能满足要求的电路设计方案。
4．综合后仿真 综合完成后需要检查综合结果是否与原设计一致，做综合后仿真。在仿真时，把综合生成的标准延时文件反标注综合仿真模型中去，可估计门延时带来的影响。综合后仿真的主要目的在于检查综合器的综合效果是否与设计输入一致。
5．布局布线 综合优化产生的逻辑网表与芯片实际的配置情况还有较大差距。利用 FPGA 厂商提供的工具软件，根据所选芯片的型号，将综合输出的逻辑网表适配到具体 FPGA 目标器件中，这个过程称之为实现过程。在实现过程中最主要的过程是布局布线。
图2.3 FPGA设计流程图
6．时序仿真与验证 布局布线的时延信息反标注到设计网表中，所进行的仿真叫时序仿真。
7．下载配置和调试 下载配置是指在时序仿真正确的前提下，将形成的配置文件下载到具体的 FPGA 中。
Altera公司的集成开发环境为quartusII，XILINX的开发环境为ISE，使用这两款软件配合上其他EDA工具，例如modelsim，SynPlify等.[8]
2.3 系统验证平台介绍
设计完成后为验证设计是否成功，故使用FPGA硬件开发平台进行验证调试。本课题使用的是红色飓风RCII-3S400开发板，开发板实物图如图2.4所示，该板核心板使用的FPGA芯片为xilinx公司的XC3S400FPGA芯片，同时具有较为丰富的外围资源可完成各种简单的设计。为实现视频采集功能，还需使用配套的视频处理拓展板，扩展板通过核心板上预留的插座可将相应的引脚与FPGA相连进行相关的寄存器配置和数据传输，视频处理扩展板上的解编码芯片即为PHILIPS公司的SAA7113和SAA7121。扩展板实物图如图2.6所示。