基于SoPC的AVI视频编码与SD卡控制器的IP核设计与实现

摘要

目前，设计和制造复杂电子系统的主要手段已经由“芯片+PCB板”模式发展成为“IP+SOC”模式。作为SOC(System on Chip)的核心技术，IP核(IntellectualProperty Core)复用技术降低了设计风险，缩短了设计周期，极大地推动了芯片设计的发展。因此，开发具有特定功能的IP核，以其设计周期短、开发成本低且便于修改扩展等优势在处理复杂的视频处理系统领域中具有重要的意义。
　　现阶段，应用在嵌入式视频处理领域中的视频编码和存储都是采用处理器中集成的模块来实现，可以较好地满足视频处理系统的功能要求。但是，这种方案的处理器内部的数据处理依靠串行执行指令来完成，处理速度受流水线限制。为了提高视频编码和存储的速度，以及增强其移植性和灵活性，本文设计开发了基于SoPC(System on Programmable Chip)技术的AVI视频编码IP核和SD卡控制器IP核，并且采用FPGA平台，通过搭建SoPC系统实现了视频采集与存储。该IP核充分发挥了硬件并行化的高速优势，使得处理速度得到了极大的改善。
　　本文所设计的AVI视频编码模块首先根据JPEG压缩原理和AVI视频文件格式，将RGB图像数据进行AVI视频编码，生成AVI视频数据流。SD卡控制器模块根据SD总线规范，采用SD总线模式的4线模式，生成控制SD卡数据与命令的读写时序，该模块可兼容SDHC(Secure Digital High Capacity)。为了实现各模块IP核的开发，根据Avalon总线规范，分别将两个模块的各信号与Avalon总线的从端口相连接。最后，结合SoPC Builder和NiosⅡ，通过调用AVI视频编码IP核和SD卡控制器IP核实现视频的采集编码与存储系统，将采集的图像数据进行AVI视频编码，并将生成的AVI视频文件存储在SD卡中。
　　实验结果表明，AVI视频编码IP核在20M的工作频率下，生成的AVI视频图像的分辨率为640×480，帧率为15帧/秒，可连贯播放视频。SD卡控制器IP核在25M的工作频率下，控制SD卡的写速度可达1.966MB/s，实现了视频的实时编码与存储。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 SoPC技术的发展

1．2．2 AVI视频编码的发展现状

1．2．3 SD卡的发展现状

1．3 论文组织结构

第2章 相关知识介绍

2．1 JPEG压缩算法原理

2．1．1 JPEG压缩算法简介

2．1．2 颜色模式转化及采样

2．1．3 离散余弦变换DCT

2．1．4 量化

2．1．5 Z字形编码

2．1．6 直流系数的编码

2．1．7 交流系数的编码

2．1．8 熵编码

2．1．9 组成位数据流

2．2 AVI文件格式

2．2．1 AVI文件格式简介

2．2．2 RIFF文件结构

2．2．3 AVI文件结构

2．3 SD存储卡

2．3．1 SD总线模式引脚及寄存器描述

2．3．2 SD卡读／写模式

2．3．3 SD总线协议

2．4 IP核开发流程

2．4．1 规格确定

2．4．2 设计计划

2．4．3 编码

2．4．4 集成

2．4．5 产品化

2．5 本章小结

第3章 IP核的总体设计

3．1 IP核的功能概述

3．2 开发平台

3．3 系统的总体设计

3．4 AVI视频编码IP核的设计

3．5 SD卡控制器IP核的设计

3．5．1 硬件IP核设计

3．5．2 软件设计

3．6 本章小结

第4章 AVI视频编码IP核的设计与实现

4．1 AVI视频编码IP核的系统架构

4．2 基于Avalon总线的AVI视频编码IP核接口

4．3 AVI视频编码IP核的实现

4．3．1 JPEG压缩模块

4．3．2 数据缓存模块

4．3．3 生成AVI视频流模块

4．3．4 AVI视频编码IP核的封装

4．4 本章小结

第5章 SD卡控制器IP核的设计与实现

5．1 SD卡控制器IP核的系统架构

5．2 基于Avalon总线的SD卡控制器IP核接口

5．3 SD卡控制器IP核的实现

5．3．1 寄存器组模块

5．3．2 生成7／16位CRC模块

5．3．3 物理控制写命令读响应时序模块

5．3．4 物理控制读写数据时序模块

5．3．5 SD卡控制器IP核封装

5．4 本章小结

第6章 IP核测试及结果分析

6．1 SoPC系统的搭建

6．2 IP核功能测试

6．2．1 系统运行环境

6．2．2 系统运行结果

6．3 IP核性能测试与分析

6．4 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 工作总结

7．2 未来工作展望

参考文献

致谢