基于USB2.0芯片的H.264解码器芯片设计

　　H.264/AVC标准具有一系列优于 MPEG4和H.263的新特性，在相同的重建图像质量下，H.264比H.263节约50％左右的码率。但是节约码率的代价是增加了算法复杂度。由于仅 用软件已经无法实现实时地解码过程。所以必须利用硬件加速，这正是本解码器设计的初衷。 

　　虽然H.264相较同质量的H.263图像，码率节约 一半，但是由于本解码器的目标是解决H.264的高清图像（1080i）的解码工作，同时也要适用于普遍的视频外设，所以选用的接口既需要完成高速的码流 源文件的传输工作也要易于插拔。而USB接口恰好符合这两个条件。高质量的源码文件数据量较大，对传输接口要求较高。并且在FPGA的仿真环境下，USB 接口还要担负起向PC上位机回传解码结果的任务。这就要求传输速度至少要保证超越解码速度。和USB 1.1接口相比，USB 2.0接口的传输更加符合本设计的要求。 

　　经过计算可知，传输接口需要至少30MB/s的传输速率，才能保证对1080i的图像进行解码。 

　　器件选型 

　　使用FPGA进行仿真和验证基本已成为IC设计过程中必不 可少的环节，尤其对于大规模的设计。本解码器IC的设计使用Virtex II FPGA作为仿真环境。对于本设计，利用FF1517 BGA封装的XC2V6000已经充分满足设计要求。在考虑设计成本的前提下，该款FPGA是相对高性价比的选择。 

　　Cypress公司的EZ-USB FX2是一款集成了USB 2.0的微处理器，它集成了USB 2.0收发器、SIE（串行接口引擎）、增强的8051微控制器和可编程的外围接口。FX2的这种优化设计，几乎能达到56MB/s的数据传输率，而 USB 2.0允许的带宽是480Mb/s，即60MB/s。该芯片在对传输带宽影响很小的前提下，增加了许多集成的控制功能。GPIF和Slave FIFO模式为外部的FPGA、DSP和ATA等提供了简单和无缝的连接接口。 

　　系统构架 

　　本设计的主体如图1所示，在FPGA的仿真平台中， Virtex II包括了解码器主体和FPGA的接口模块。USB 2.0芯片68013A作为独立部分，负责FPGA和PC之间的USB数据传输。FPGA片外的SRAM与DRAM作为FPGA的扩展存储设备，用于存放 解码器所需的源码文件，解码后的文件以及解码器中用到的软件程序文件。 本设计中，解码器端具备强大的功能，内嵌有一个CPU。可以进行主动识别命令的功 能。所以PC端和解码器处于对等的地位。PC端的工作包括发送命令头，发送命令，发送码流，接收回传解码结果等；FPGA端的工作包括接收并识别命令头与 PC命令，接收并向SRAM和DRAM中存储码流，读取SRAM和DRAM中的解码结果并且回传给PC端。

　　USB 2.0芯片的工作方式及固件编写 

　　1 芯片工作方式的确定 

　　在设计中，存在两个过程涉及到大批量的数据文件传输：PC 向下传输源码文件，FPGA向上位PC传输解码结果文件。其对USB传输要求。如果当传输的源码文件无法适应解码速度时，会导致解码器停顿；如果当回 传解码结果滞后时，会造成未被传输的解码结果被覆盖。任何一种情况的出现，都将直接导致解码器工作失败。 

　　在传输要求甚高的情况下，选用EZ-USB FX2提供的Slave FIFO的BULK（批量传输）模式，能很好的满足传输要求。在这种模式下，USB芯片内存单元中划分出6个端点（endpoint），以下简称为EP。 EP0和EP1被保留作为芯片配置FIFO。EP2、4、6、8可作为用户传输，并且4个EP采用双重FIFO（double FIFO）的方式组织构成。 
举例来说，如图2所示，USB执行OUT传输，将 EP2端点设成512字节双重FIFO。在外部器件看来，USB端只要有1个512字节的FIFO为“半满”，就可以继续发送数据。当操作的FIFO写 “满”时，FX2自动将其转换到外部接口端，排除等候读取；并将USB接口队列中下一个为“空”的FIFO转移到USB接口上，供其继续写数据。外部接口 端与此类似，只要有1个FIFO为“半满”，就可以继续读取数据。当前操作的FIFO读“空”时，FX2自动将其转换到USB接口端，排除等候写并将外部 接口队列中下一个为“满”的FIFO转移到接口上，供外部器件使用。 

　　为双重FIFO的工作过程。当一个512字节的 FIFO满时，FPGA可以取出里面的数据，同时PC可以向另一个FIFO写入数据（一组实箭头）。当一个512字节的FIFO空时，PC可以写入数据。 同时FPGA可以读取另一个仍然有数据的FIFO（一组虚箭头）。  

　　 双重EP运作模式

　　2 固件程序设计
　　在通过编写固件程序初始化USB设备过程中，以下重要的配置寄存器需要设置。
　　IFCONFIG；设置USB时钟由外部提供，并且选用Slave FIFO模式。
　　EPXCFG（X=2，4，6，8）；配置4个EP（端点FIFO）的模式。
　　EPXFIFOCFG（X=2，4，6，8）；配置4个EP的自动传输模式以及传输位宽。

　　其他一些寄存器，根据实际的需要可以单独配置。本设计中配置EP2用于传输命令头，EP4用于传输源码文件，EP6用于传输命令，EP8用于传输解码结果文件。

　　在完成固件程序的设计之后，可以利用FX2自带的Control Panel将固件程序的编译结果到68013A的芯片中，或者存放在外部的I2C中，以便下次复位时，芯片自己读取。

　　3 电路设计原理图

　　电路设计原理图

　　图4为本设计的电路设计原理图，原件按左起以及上起顺序分别为：CY7C68013A芯片、电源耦合电容组、USB 2.0标准接口、标准RS232串行口、外部晶体振荡器和HIN232串口芯片。本设计是按照这一电路原理图制作电路板图，完成USB 2.0的功能的。

　　FPGA上解码器与USB接口模块的设计

　　SLAVE FIFO的模式下，FPGA可以主动决定是否有必要读取USB内部FIFO中的数据，而不仅仅是被动的接受PC发送的数据。如图5所示，控制方式： SLOE、SLRD和SLWR作为EP的读写信号与使能控制信号。FIFOADR[1：0]作为4个EP的选择信号，即选择当前操作的目标EP。 PKTEND是FPGA主动命令USB芯片向上位PC发送数据的控制端。FLAGX（X=A，B，C，D）表示当前选中的FIFO的空满信息。FD（8位 或者16位）为双向的数据传输口。FPGA接口控制这些端口，达到对USB进行操作的目的。

　　解码器与USB接口

　　FPGA接口中，本设计还定义了一个深度为256，宽度为32位的FIFO（内部 FIFO）。原因在于：本设计中SRAM和DRAM部分要不断地被解码器调用，这样就导致存储单元被占用。此时USB是无法对存储单元操作的。所以在 FPGA接口中，先将多个USB传输的数据FD（8位或者16位）拼接成32位数据存入内部FIFO，当SRAM和DRAM空闲时，再向其传输。这样的处 理，使得USB传输不依赖于存储单元的工作状态，进一步提高了USB传输的速度，以满足传输的要求。

　　设计验证及结果分析

　　当开发完Windows操作系统下的USB驱动程序后，本设计成功的利用EZ- USB芯片与Virtex II FPGA完成了视频数据的传输工作。并且在FPGA工作的66MHz以下的频率时，完成了对H.264格式视频的实时传输、解码。传输速率的检测中， USB对大批量数据的传输可以达到33MB/s以上的速度，完全适应解码器的要求。

　　设计分析：本设计利用了两级的FIFO，充分的发挥了USB 2.0的速度优势。设计方案解除了传输与解码过程中的瓶颈，实现了无缝连接。不足之处是由于USB芯片的Slave FIFO模式限制，PC与解码器直接必须使用命令交互的方式进行通信，占用了一定的带宽。在命令过于频繁的状态下，效率不高，但对大批量数据传输影响很 小。

　　结束语

　　验证平台下成功，并且实际通过多种压缩率的源码文件测试，实现了平均33MB/s，40MB/s的速率。完成并且超过了设计要求。

参考文献:

[1]. XC2V6000 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/XC2V6000_899005.html.
[2]. BULK datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/BULK_2523104.html.
[3]. CY7C68013A datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/CY7C68013A_1124598.html.
[4]. RS232 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RS232_585128.html.
[5]. HIN232 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/HIN232_379379.html.
[6]. EZ-USB datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/EZ-USB_305660.html.