图像处理之Video In to AXI4-Stream教程

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前言

小编最近项目中涉及到ISP，而xilinx的ISP架构中视频流是以AXI4-Stream接口输入输出，本期教程将讲述Video In to AXI4-Stream的使用。

一、时序信号

注：不管视频信号是使用哪一组时序信号，核都可以正确地接受视频输入并转换为 AXI4-Stream 格式。

二、AXI4-Stream信号

      输出端使用 AXI4-Stream 接口，该接口以主模式（master mode）工作。

• tdata：并行视频数据。这个信号携带实际的视频像素数据。
• tvalid 和 tready：握手信号，用于管理数据传输。tvalid 表示数据有效，当 tvalid 和 tready 同时为高时，表示数据传输成功。
• tlast 和 tuser：标志信号，用于标识视频流中特定的像素

由于 AXI4-Stream 总线上没有同步或消隐信号，仅传输有效像素数据，因此需要 tlast 和 tuser 标志来标识像素的位置。

• tlast 用于标识每行最后一个有效像素的位置（EOL）。
• tuser 用于标识每帧第一个有效像素的位置（SOF）。

三、Latency

1.典型延迟：

• 当 AXI4-Stream 总线上下游的处理模块能够以像素速率或更快的速率接收数据时，通过 Video In to AXI4-Stream 核的典型延迟是 6 个 vid_io_in_clk 时钟周期 + 3 个 aclk 时钟周期。
• 这是在理想情况下，即下游模块能够快速处理数据而不会造成瓶颈时的延迟。

2.使用 FIFO 平衡速率不匹配：

• 如果下游模块以较慢的速率接收像素数据，那么 FIFO 会用来平衡输入和输出速率之间的不匹配。
• FIFO 的作用是缓冲输入数据，以确保即使下游处理速度较慢，数据流也能平稳进行。

3.额外延迟：

• 当使用 FIFO 时，由于存储像素数据，这会增加延迟。
• 这种额外的延迟取决于数据流入和流出核心的速率，可能会随行和帧的变化而变化。

四、Throughput

额外的 FIFO 深度需求：

• 需要额外的 FIFO 深度来平滑瞬时速率的不匹配。这是为了处理输入视频像素时钟（Fvclk）和 AXI4-Stream 时钟（Faclk）之间的速率差异。

时钟速率限制：

• Fvclk 和 Faclk 的速率受限于整体的最大时钟频率（Fmax）。

Faclk ≥ Fvclk 的情况：

• 如果 Faclk 等于或大于 Fvclk，只需要最小的缓冲区大小（32 个位置）。
• 这假设 Video In to AXI4-Stream 核下游的核能够以全视频速率接收数据。例如，下游核可以以几乎连续的流方式接受数据，仅在 EOL（行结束）之后有间隙，每行连续接受数据，行之间的间隙仅在 SOF（帧开始）之前出现。在这种情况下，FIFO 在每行的 EOL 之后会清空。

Faclk 小于 Fvclk 的情况：

• 当 Faclk 小于 Fvclk 时，需要额外的缓冲来处理视频时钟和 AXI4-Stream 时钟之间的速率差异。
• 具体来说，FIFO 必须足够大，以处理像素在视频时钟速率（Fvclk）下进入，而在较慢的 AXI4-Stream 总线时钟速率（Faclk）下输出的差异。

输入 FIFO 深度计算：

• 对于 Faclk 频率高于平均行频率但低于 Fvclk 的情况，输入 FIFO 的最小深度（FIFO depth min）计算公式如下：

FIFO depth min = 32 + Active Pixels * Fvclk / Faclk

下游处理核心的速率低于 aclk：

• 如果下游处理核心接受数据的速率低于 aclk，那么需要额外的缓冲以防止 FIFO 在帧传输期间溢出。
• 这种情况下，FIFO 的深度需要足够大，以保证即使在传输整帧数据时，FIFO 也不会溢出。

五、Core Interfaces

六、General Design Guidelines

七、Customize IP

Pixels Per Clock:该参数指定每个时钟周期并行输出的像素数量。

Video Format: Specifies the video format used. 

Native Video Input Component Width: Specifies the video component bit width over 

the input video data bus.
AXI4S Video Output Component Width: Specifies the video component bit width 
over the output AXI4-Stream TDATA bus.
FIFO Depth: Specifies the number of locations in the input FIFO. The options for FIFO 
depth are 32, 1024, 2048, 4096, and 8192.
Clock Mode: The clock mode is used to specify whether the AXI4-Stream output and 
Video input signals are clocked using common or independent clocks.

总结

以上就是Video In to AXI4-Stream的重点内容，读者可根据自己的理解进行验证。