摘要

       本文介绍了一种使用ANLOGIC(上海安路信息科技有限公司) AL3 FPGA实现的基于千兆以太网的实时视频传输系统。本文首先对AL3 FPGA的特点，KSZ9031RNX千兆PHY芯片和视频传输带宽计算等进行了简要介绍，然后详细描述了系统硬件架构和FPGA程序架构，通过采用乒乓式的页模式访问SDRAM解决视频缓存带宽瓶颈，实现了1080P 30帧/秒的实时视频传输。

正文

       AL3LA10是上海安路科技最新推出的FPGA器件。该器件采用自主独创LUT4/LUT5混合逻辑单元结构，包含10K等效逻辑单元，总共500Kbits RAM块，拥有丰富的高性能LVDS差分接口。该芯片封装可以兼容ALTERA CYCLONE4和XILINX SPARTAN6等多种芯片，同时比国外同等芯片提供更多的RAM块和差分IO资源，非常适合于大容量视频数据的采集，传输和显示等方面应用。

       KSZ9031RNX是一款三速自适应PHY芯片，该芯片使用RGMII接口与FPGA（MAC）连接。该芯片的突出特点是可以通过MDIO接口设置RGMII接口每一个引脚的延时，降低FPGA端对延时调整的复杂度。TFP401A是TI的一款DVI视频解码芯片，最大支持1080P分辨率。该芯片接收显卡输出的LVDS信号，解码后输出LVTTL电平的并行场同步数据。

       一个千兆以太网端口的最大带宽为1Gb/s，本设计使用双端口千兆以太网，因此本设计支持的最大视频传输带宽为2Gb/s。对于1080P 60帧/秒的视频的带宽为1920*1080*60*24，大约为3Gb/s，超过了本系统的最大网络传输带宽。而1080P 30帧/秒的视频带宽为1920*1080*30*24，大约为1.5Gb/s，小于本系统的最大网络传输带宽，因为本系统支持1080P 30帧的视频实时传输。由于本系统使用两个千兆以太网端口，因此每个端口的带宽大约为750Mb/s，有效带宽大概为75%。

       如图1所示为本系统的硬件结构框图。DVI视频从显卡输出后通过TFP401A解码后，输出R8G8B8的场同步点阵数据，包括HSYNC,VSYNC,DE,ODCK,DATA等信号，FPGA根据HSYNC,VSYNC,DE等场同步信号从视频源接收以及截取有效视频数据。视频数据进入FPGA后，将通过两片SDRAM乒乓式的存入与读出，每次以DVI视频源的帧同步为切换信号，使得每次在SDRAM中存入一帧，然后切换至另外一块SDRAM。从SDRAM读出时会根据控制信号确定哪些数据发至第一块PHY，剩下的数据发送至第二块PHY。PC机软件可以通过UART口设置FPGA的某些参数，同时还能回读发送卡当前的工作状态信息。

图1 双端口千兆以太网视频传输卡硬件

       图2为本系统的软件架构图，FPGA通过VSYNC信号来判断每一帧的起点，并以此信号控制SDRAM的切换，以及内部各级FIFO的清空。FPGA根据HSYNC和DE信号获取一帧中点数据的坐标，根据控制从中截取有效的视频图像数据向后一级传至异步缓存FIFO1。该异步缓存FIFO1主要用于DVI数据输入和SDRAM读写的异步时钟域转换。SDRAM读写控制模块根据FIFO1深度指示信息从FIFO1中读出数据写入SDRAM1或者SDRAM2, 同时SDRAM读写控制模块判断FIFO2和FIFO3的深度，当深度小于某个值时则从SDRAM1或者SDRAM2中读出写入FIFO2或者FIFO3。以太网打包模块则负责对数据进行按照UDP格式打包，包括添加UDP包头，从FIFO2或者FIFO3中读出数据填入包中，同时计算FCS校验并添加到包尾。同时该模块还有一个工作就是将数据转换为满足RGMII时序的双沿数据写入PHY芯片KSZ9031RNX。

图2 双端口千兆以太网视频传输卡软件架构图

       UART是PC软件与传输卡的接口，用于PC机控制传输卡的视频截取分辨率，通常不会将DVI接收的视频全部通过千兆以太网发送出去，而是截取其中一部分。另外PC机还可以控制千兆以太网端口1和千兆以太网端口2分别发送的分辨率，例如从DVI输出视频截取1920*768的图像，则端口1和端口2可以分别发送1920*384。两个端口分别发送的行数可以任意调整，但总数保持与截取的高度一致。

       整个系统的时钟域如图3所示，DVI视频输入部分使用TFP401A输入的像素数据伴随时钟ODCK，该时钟频率会随着输入视频分辨率变化而变化，视频分辨为1080P，该时钟频率最高，约为157MHz。SDRAM读写控制部分，使用PLL输出时钟，频率为150MHz，在该时钟频率下实现SDRAM的读写，以及将数据写入到异步FIFO2和FIFO3。以太网打包和发送部分使用固定时钟125MHz，这是因为千兆以太网的发送时钟为固定的125MHz。

图3 双端口千兆以太网视频传输卡软件时钟域

       SDRAM控制模块负责数据写入和读出SDRAM的控制，由于该模块工作时钟为150MHz，所以SDRAM的工作时钟也为150MHz。SDRAM的地址使用行列地址复用，同时还需要有预充电和刷新时间，因此SDRAM页访问一次有效读写数据为256个，而写入实际花费时钟数为285个，读出实际花费时钟数为300个，由此计算出SDRAM的实际写入有效带宽为256/285*150MHz，SDRAM的实际读出有效带宽为256/300*150MHz。1080P，30帧/秒的图像数据带宽为1920*1080*30，大约为62.5MHz，由于使用乒乓存储方式，在每一帧图像的存入与读出过程中只要满足SDRAM写入带宽265/285*150>62.5和读出带宽256/300*150>62.5即可。通过该处可以看出实际SDRAM的读写带宽相对数据带宽裕量很大，但实际上SDRAM的工作时钟并不能降低。因为DVI图像数据每一行数据是连续输入， 1080P每行连续输入1920*1.2点，其中前1920点为有效像素，剩下的为行消隐。要保证下一行数据来之前，将FIFO1中的数据写入SDRAM，而使得FIFO1不至于写满，就必须满足F_SDRAM*1920>F_ODCK*1920*1.2 , F_ODCK最大时钟为157MHz，因此F_SDRAM的时钟最小为131MHz，因此本设计最终选用了150MHz的SDRAM工作时钟。

总结

       本文设计了一种双端口千兆以太网传输卡，他可以最大支持1080P 30帧/秒的视频发送，而且发送的图像分辨率大小，图像区域均可由PC软件灵活控制。本设计通过SDRAM的乒乓式页模式访问提高了SDRAM的读写带宽。最终根据设计做出了如图4的硬件板，并编写了相应的FPGA程序，在硬件板上进行测试，系统性能和稳定性均满足要求。

       实践证明，安路AL3 FPGA芯片性能稳定，逻辑效率、IP模块和时序性能方面不输与国外芯片，本设计中涉及几个高速时钟时序余量充足，部分性能指标甚至超过国外芯片。另外，配套TD编译软件，功能较为齐全、编译速度快、时序准确、上手容易、能够满足一般开发需求。 

图4 双端口千兆以太网视频传输卡