使用AXI4S接口的视频IP细节介绍

AXI4S视频IP介绍及系统设计指南（一）

本文主要介绍使用AXI4S（AXI4-Stream）接口的视频IP细节。

介绍

本文总结了AXI4S接口视频协议，该协议在视频IP中的应用，其中AXI协议参考：

对于做过BT.1120总线的，这部分学习起来一点问题没有，只不过信号名称稍微修改了一下。

1.1 AXI4-Stream 信号接口

AXI4S携带实际的视频数据（无行场消隐），由主机和从机接口驱动，如Figure 1-1所示。

Figure 1‐1:具有多个AXI4S从(输入)和主(输出)接口的视频IP

空白时段（行场消隐）、音频数据和辅助数据包不会通过AXI4-Stream上的视频协议传输。Table 1-1 和Table 1-2 中列出AXI4S接口视频IP需要的所有信号。

Table 1-1 显示了输入(从)侧连接器的接口信号名称和功能。为了避免命名冲突，对于具有多个AXI4S输入接口的IP，信号前缀s_axis_video应该附加到s_axis_videok，其中k是各个输入AXI4S的索引；例如，对于流0，axis_video_tvalid变为s_axis_video0_tvalid，对于流1，变为s_axis_video1_tvalid。

Table 1‐1:AXI4S视频协议输入(从机)接口信号

Table 1-2 显示了输出(主)侧的接口信号名称和功能。类似地，对于具有多个AXI4-Stream输出接口的IP，信号前缀m_axis_video应该附加到m_axis_videok 之后，其中k是各个输出AXI4-Stream的索引；例如，对于流0，axis_video_tvalid变为m_axis_video0_tvalid，对于流1，变为m_axis_video1_tvalid。

Table 1‐2:AXI4S视频协议输出(主机)接口信号

1.1.1 READY/VALID 握手

每当就绪（READY）、有效（VALID）、ACLKEN和ARESETn信号在ACLK的上升沿为高电平时，就会发生有效传输，如Figure 1-2所示。

Figure 1‐2:就绪/有效握手示例，新帧开始

在有效传输期间，数据仅携带有效视频数据。AXI4S上的视频不会传输空白时段（行场消隐）和辅助数据包。

1.1.2 帧开始信号（start of frame (SOF)）

帧开始(SOF)信号通过AXI4S TUSER0信号进行物理传输，表示视频场或帧的第一个像素。SOF脉冲是一个有效的事务宽度，并且必须与场或帧的第一个像素一致(Figure 1-2).SOF充当帧同步信号，允许下游内核重新初始化，并检测场或帧的第一个像素。

1.1.3 行尾信号（End of Line Signal）

行尾(The end of line，EOL)信号通过AXI4S TLAST信号进行物理传输，表示一行的最后一个像素。EOL脉冲是一个有效的事务宽度，并且必须与扫描线的最后一个像素一致(Figure 1-3).

Figure 1‐3:EOL和SOF信号的使用

1.2 数据格式

为了传输视频数据，数据格式对物理数据信号的逻辑信道子集进行编码。视频模块之间的AXI4S接口可以有助于使用不同精度(例如，每个颜色通道8、10或12位)和/或不同格式(例如，RGB或YUV 420)以及每个数据拍不同数量的像素来传输视频。

总结就是，数据格式通过AXIS接口的TDATA信号线传输，根据传输的视频格式改变信号线的宽度。

1.2.1 AXI4-Stream 特定参数化

视频IP配置参数在第3章的IP参数化中描述。AXI4S接口视频协议的具体参数在Table 1-3中列出。

Table 1‐3:AXI4-Stream 特定参数化

C_tk_AXIS_TDATA_WIDTH参数确定AXI4S接口tk上可变宽度接口信号TDATA的宽度，其中接口类型t可以具有指定主或从接口的值[m，s],而可选整数k指定接口ID。通常，C_tk_AXIS_TDATA_WIDTH是分量数据宽度、每个数据拍的像素/样本数以及实际视频格式使用的分量数的函数。

组件数据宽度的推荐参数名称是C_tk_DATA_WIDTH。可选的格式参数C_tk_VIDEO_FORMAT可以帮助IP使用HDL函数确定数据中存在的颜色成分的数量。视频IP通常在输入接口上需要特定的格式，并且可以在IP中硬编码颜色分量通道的数量。然而，当C_tk_VIDEO_FORMAT(由主接口上的默认值设置)在HDL设计中传播到从接口时，IP源代码可以使用断言执行DRC，以确保AXI4S视频接口由以预期格式编码的视频驱动。

1.2.1 编码

数据位使用[N-1:0]位编号惯例(N-1至0)表示。数据的隐式子字段的组成部分应该紧密地打包在一起；例如，DW=10位RGB数据打包成30位。如有必要，打包后的数据字应使用最高有效位(msb)进行零填充，使数据宽度使是8的倍数整数，如Figure 1-4所示。

Figure 1‐4:多像素TDATA的视频数据填充

不同格式的详细表示在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的视频格式代码和数据表示

注:对于42和40格式中的任何一种，Cb(或U)和Cr(或V)样本被分割到两个数据拍上，但只能在每个时钟一个样本的模式下进行。第一个数据拍保持Cb(或U)；第二个数据拍保持Cr(或V)。换句话说，帧的第一个有效像素包含[Cb0:Y0]，下一个像素包含[Cr0:Y1]。40格式在42格式的基础上增加了垂直子采样，这是通过省略每隔一行的色度数据在AXI4-Stream上的视频中实现的（和BT.1120完全类似）。

注:拜耳传感器数据也称为原始数据，一般为RAW8/RAW10/RAW12/RAW14/RAW16等格式。

1.2.1.1  多个像素编码-静态TDATA配置

当AXI4S携带多个样本/像素时，像素应该从最低有效位(LSB)打包到MSB，例如，最低有效像素应该对应于扫描线中最左边的像素，或者对应于时间上最早捕获的像素。例如，如果每个数据拍发送4个样本/像素，则第一个样本位于最低有效位，第四个样本位于最高有效位。

当使用AXI4-Stream上的视频协议传输多个像素或样本时，与各个像素相关的颜色分量按照下式排列，Table 1-5给出了用于传输视频模式0、1、2、3、12的两个像素的例子。像素数据被连续打包，像素之间没有任何填充。当N*DW不是8的倍数整数时，视频数据在msb上补零，如Figure 1-5所示。

如果行大小不能被每个数据拍的像素/样本数整除，则行的最后一拍应使用LSB。然后，该行最后一个数据拍的msb中未使用的像素应补零。

Figure 1‐5:TDATA的视频数据填充 Table 1‐5:视频格式代码和数据表示

1.2.1.2 多像素编码动态TDATA配置

对于视频IP可以动态改变颜色分量宽度、视频格式或每个数据拍的像素/样本数量的应用，像素和分量应该保持在由用于实例化的通用参数确定的静态位置。例如，如果只有一个像素通过支持每个数据拍最多两个像素的接口传输，则样本/像素应该与最低有效像素位置对齐。同样，如果每个器件只有8位通过为每个器件产生的10位接口传输，则有效位应MSB对齐，LSB用零填充。

Figure 1-6 和 Figure 1-9中显示了三个示例。

重要提示:尽管本规范支持动态更改每个数据拍的像素/样本数，但不建议这样做，因为并非所有IP都支持此功能。

Figure 1‐6:每个数据拍一个像素，每个器件8位，每个数据拍两个像素，每个器件总线10位

Figure 1‐7:每个数据拍2个像素，每个器件8位，每个数据拍2个像素，每个器件总线10位

Figure 1-8.捕获RGB888(具有三个分量的像素，分量宽度为8)。

Figure 1‐8:每个数据拍两个像素，每个分量八位(RGB888，VF码2)，每个数据拍两个像素，每个分量总线14位

注意事项:

每个G、B、R元件位于14位空间，MSB对齐。

Figure 1-9.捕获RAW14(具有单个组件的像素，组件宽度为14)。

Figure 1‐9:每个数据拍两个像素，每个元件14位(RAW14，VF代码12)，每个数据拍两个像素，每个元件总线14位

注意事项:

虽然RAW14可能仅使用较低的28位，但完整的AXI4S接口仍然是88位，因为在处理动态TDATA时，如果需要，它必须能够以每种颜色完整的14位切换到RGB。下游逻辑必须意识到这一点，并应提供适当的总线接口，然后在内部丢弃不使用的位。

比较Figure 1-8 和Figure 1-9中的两种数据类型组件宽度，RAW14，VF Code 2数据类型具有14位组件和RGB888 (VF Code 2) 8位组件。

因此，RGB888元件在14位元件总线上以MSB对齐、LSB补零的方式放置。此外，RAW14像素紧密地封装在一起。

1.2.2 多像素编码示例

AXI4S视频接口支持每时钟双像素或四像素，对于RGB、YUV444和YUV420色彩空间，每个分量有8位、10位、12位和16位。当参数“每个组件的最大位数”设置为16时，Figure 1-10 显示了完全符合AXI4S视频协议的每时钟四像素数据格式。

Figure 1‐10:四像素数据格式(每个分量的最大位数= 16)

每时钟双像素的数据格式完全兼容AXI4S视频协议，如Figure 1-11所示。

Figure 1‐11:双像素数据格式(每个组件的最大位数= 16)

当参数“每个分量的最大比特数”设置为12时，每个分量的实际比特数大于12的视频格式将被截断为每个分量的最大比特数。剩余的最低有效位被丢弃。如果每个器件的实际位数小于Vivado IDE中设置的每个器件的最大位数，则所有位都以MSB对齐方式传输，其余LSB位以0填充。这适用于所有每个组件的最大位数设置。

举例来说，当每个组件的最大比特数被设置为12时，Figure 1-12 显示了完全符合AXI4S视频协议的每时钟四像素数据格式。

完全兼容的每时钟双像素AXI4S视频协议的数据格式如Figure 1-13所示。

Figure 1‐12: 四像素数据格式(每个分量的最大位数= 12)

Figure 1‐13:双像素数据格式(每个组件的最大位数= 12)

当参数“每个分量的最大比特数”设置为12时，每个分量的实际比特数大于12的视频格式将被截断为每个分量的最大比特数。剩余的最低有效位被丢弃。如果每个器件的实际位数小于Vivado IDE中设置的每个器件的最大位数，则所有位都以MSB对齐方式传输，其余LSB位以0填充。这适用于所有每个组件的最大位数设置。

Table 1‐6:每个组件支持的最大位数

举例来说，当每个组件的最大比特数被设置为12时，Figure 1-14 显示了完全符合AXI4S视频协议的每时钟四像素数据格式。完全兼容的每时钟双像素AXI4S视频协议的数据格式如Figure 1-15所示。

Figure 1‐14: 四像素数据格式(每个分量的最大位数= 12)

Figure 1‐15:双像素数据格式(每个组件的最大位数= 12)

视频接口还可以传输YUV420色彩空间中的四像素和双像素。

类似地，对于YUV 40深色(10、12或16位)，数据表示是相同的。唯一的区别是每个组件携带更多的位(10、12和16)。当使用AXI4-Stream传输时，数据表示需要符合UG934中定义的协议。借助重新映射功能，相同的原生视频数据将被转换为AXI4S格式，如Figure 1-16所示。40格式在42格式的基础上增加了垂直子采样，这是通过省略每隔一行的色度数据在AXI4-Stream上的视频中实现的。

Figure 1‐16: YUV 40 AXIS流视频数据(每时钟双像素)

注意:对于RGB/YUV444/YUV422，视频数据直接从AXI4S映射到原生视频接口，没有任何行缓冲。因此，Figure 1-12 到Figure 1-15 通常表示AXI4S和本地视频的数据接口。图中省略了控制信号。

该子系统利用配置参数、每个元件的最大位数和每个时钟的像素数，提供了构建系统的充分灵活性。设置这些参数，以便目标设备支持视频时钟和链路时钟。例如，当选择每时钟双像素时，与每时钟四像素设计相比，AXI4S视频需要以更高的时钟速率运行。在这种情况下，系统更难满足定时要求。因此，对于旨在发送更高视频分辨率的设计，建议使用每时钟四像素数据映射。

某些视频分辨率(例如720p60)的水平定时参数(1650)不是4的倍数。在这种情况下，必须选择每时钟双像素数据映射。

审核编辑：郭婷