摘要
本文介紹了一種使用ANLOGIC(上海安路信息科技有限公司) AL3 FPGA實現的基于千兆以太網的實時視頻傳輸系統。本文首先對AL3 FPGA的特點，KSZ9031RNX千兆PHY芯片和視頻傳輸帶寬計算等進行了簡要介紹，然后詳細描述了系統硬件架構和FPGA程序架構，通過采用乒乓式的頁模式訪問SDRAM解決視頻緩存帶寬瓶頸，實現了1080P 30幀/秒的實時視頻傳輸。
正文
AL3LA10是上海安路科技最新推出的FPGA器件。該器件采用自主獨創LUT4/LUT5混合邏輯單元結構，包含10K等效邏輯單元，總共500Kbits RAM塊，擁有豐富的高性能LVDS差分接口。該芯片封裝可以兼容ALTERA CYCLONE4和XILINX SPARTAN6等多種芯片，同時比國外同等芯片提供更多的RAM塊和差分IO資源，非常適合于大容量視頻數據的采集，傳輸和顯示等方面應用。
KSZ9031RNX是一款三速自適應PHY芯片，該芯片使用RGMII接口與FPGA（MAC）連接。該芯片的突出特點是可以通過MDIO接口設置RGMII接口每一個引腳的延時，降低FPGA端對延時調整的復雜度。TFP401A是TI的一款DVI視頻解碼芯片，最大支持1080P分辨率。該芯片接收顯卡輸出的LVDS信號，解碼后輸出LVTTL電平的并行場同步數據。
一個千兆以太網端口的最大帶寬為1Gb/s，本設計使用雙端口千兆以太網，因此本設計支持的最大視頻傳輸帶寬為2Gb/s。對于1080P 60幀/秒的視頻的帶寬為1920*1080*60*24，大約為3Gb/s，超過了本系統的最大網絡傳輸帶寬。而1080P 30幀/秒的視頻帶寬為1920*1080*30*24，大約為1.5Gb/s，小于本系統的最大網絡傳輸帶寬，因為本系統支持1080P 30幀的視頻實時傳輸。由于本系統使用兩個千兆以太網端口，因此每個端口的帶寬大約為750Mb/s，有效帶寬大概為75%。
如圖1所示為本系統的硬件結構框圖。DVI視頻從顯卡輸出后通過TFP401A解碼后，輸出R8G8B8的場同步點陣數據，包括HSYNC,VSYNC,DE,ODCK,DATA等信號，FPGA根據HSYNC,VSYNC,DE等場同步信號從視頻源接收以及截取有效視頻數據。視頻數據進入FPGA后，將通過兩片SDRAM乒乓式的存入與讀出，每次以DVI視頻源的幀同步為切換信號，使得每次在SDRAM中存入一幀，然后切換至另外一塊SDRAM。從SDRAM讀出時會根據控制信號確定哪些數據發至第一塊PHY，剩下的數據發送至第二塊PHY。PC機軟件可以通過UART口設置FPGA的某些參數，同時還能回讀發送卡當前的工作狀態信息。
圖1 雙端口千兆以太網視頻傳輸卡硬件
圖2為本系統的軟件架構圖，FPGA通過VSYNC信號來判斷每一幀的起點，并以此信號控制SDRAM的切換，以及內部各級FIFO的清空。FPGA根據HSYNC和DE信號獲取一幀中點數據的坐標，根據控制從中截取有效的視頻圖像數據向后一級傳至異步緩存FIFO1。該異步緩存FIFO1主要用于DVI數據輸入和SDRAM讀寫的異步時鐘域轉換。SDRAM讀寫控制模塊根據FIFO1深度指示信息從FIFO1中讀出數據寫入SDRAM1或者SDRAM2, 同時SDRAM讀寫控制模塊判斷FIFO2和FIFO3的深度，當深度小于某個值時則從SDRAM1或者SDRAM2中讀出寫入FIFO2或者FIFO3。以太網打包模塊則負責對數據進行按照UDP格式打包，包括添加UDP包頭，從FIFO2或者FIFO3中讀出數據填入包中，同時計算FCS校驗并添加到包尾。同時該模塊還有一個工作就是將數據轉換為滿足RGMII時序的雙沿數據寫入PHY芯片KSZ9031RNX。
圖2 雙端口千兆以太網視頻傳輸卡軟件架構圖
UART是PC軟件與傳輸卡的接口，用于PC機控制傳輸卡的視頻截取分辨率，通常不會將DVI接收的視頻全部通過千兆以太網發送出去，而是截取其中一部分。另外PC機還可以控制千兆以太網端口1和千兆以太網端口2分別發送的分辨率，例如從DVI輸出視頻截取1920*768的圖像，則端口1和端口2可以分別發送1920*384。兩個端口分別發送的行數可以任意調整，但總數保持與截取的高度一致。
整個系統的時鐘域如圖3所示，DVI視頻輸入部分使用TFP401A輸入的像素數據伴隨時鐘ODCK，該時鐘頻率會隨著輸入視頻分辨率變化而變化，視頻分辨為1080P，該時鐘頻率最高，約為157MHz。SDRAM讀寫控制部分，使用PLL輸出時鐘，頻率為150MHz，在該時鐘頻率下實現SDRAM的讀寫，以及將數據寫入到異步FIFO2和FIFO3。以太網打包和發送部分使用固定時鐘125MHz，這是因為千兆以太網的發送時鐘為固定的125MHz。
圖3 雙端口千兆以太網視頻傳輸卡軟件時鐘域
SDRAM控制模塊負責數據寫入和讀出SDRAM的控制，由于該模塊工作時鐘為150MHz，所以SDRAM的工作時鐘也為150MHz。SDRAM的地址使用行列地址復用，同時還需要有預充電和刷新時間，因此SDRAM頁訪問一次有效讀寫數據為256個，而寫入實際花費時鐘數為285個，讀出實際花費時鐘數為300個，由此計算出SDRAM的實際寫入有效帶寬為256/285*150MHz，SDRAM的實際讀出有效帶寬為256/300*150MHz。1080P，30幀/秒的圖像數據帶寬為1920*1080*30，大約為62.5MHz，由于使用乒乓存儲方式，在每一幀圖像的存入與讀出過程中只要滿足SDRAM寫入帶寬265/285*150>62.5和讀出帶寬256/300*150>62.5即可。通過該處可以看出實際SDRAM的讀寫帶寬相對數據帶寬裕量很大，但實際上SDRAM的工作時鐘并不能降低。因為DVI圖像數據每一行數據是連續輸入， 1080P每行連續輸入1920*1.2點，其中前1920點為有效像素，剩下的為行消隱。要保證下一行數據來之前，將FIFO1中的數據寫入SDRAM，而使得FIFO1不至于寫滿，就必須滿足F_SDRAM*1920>F_ODCK*1920*1.2 , F_ODCK最大時鐘為157MHz，因此F_SDRAM的時鐘最小為131MHz，因此本設計最終選用了150MHz的SDRAM工作時鐘。
總結
本文設計了一種雙端口千兆以太網傳輸卡，他可以最大支持1080P 30幀/秒的視頻發送，而且發送的圖像分辨率大小，圖像區域均可由PC軟件靈活控制。本設計通過SDRAM的乒乓式頁模式訪問提高了SDRAM的讀寫帶寬。最終根據設計做出了如圖4的硬件板，并編寫了相應的FPGA程序，在硬件板上進行測試，系統性能和穩定性均滿足要求。
實踐證明，安路AL3 FPGA芯片性能穩定，邏輯效率、IP模塊和時序性能方面不輸與國外芯片，本設計中涉及幾個高速時鐘時序余量充足，部分性能指標甚至超過國外芯片。另外，配套TD編譯軟件，功能較為齊全、編譯速度快、時序準確、上手容易、能夠滿足一般開發需求。
圖4 雙端口千兆以太網視頻傳輸卡