基于ZYNQ MPSOC ARM+FPGA的超高清实时图像采集与压缩系统设计

3.1 总体硬件方案概述
根据 2.1 、 2.2 节对系统架构和方案的分析，本章针对系统硬件设计进行详细介
绍。本文所述高性能实时视频采集与压缩系统平台的硬件框图如图 3-1 所示，系统由
核心处理模块、视频采集模块、数据片外存储模块、视频压缩数据输出模块、电源模
块、时钟及复位模块和 MPSoC 其它外设接口组成。

板卡的视频采集模块四组 HDMI 2.0 图像接收端口，能够支持 4K （ 3840×2160 ）
分辨率下 60Hz 的刷新率视频图像数据输入，视频高速差分信号通过去抖芯片和电平
转化芯片后传入系统核心 ---ZYNQ MPSoC 处理芯片；硬件平台选用 Xilinx 公司的
XCZU4EV-2SFVC784 型号 ZYNQ Ultrascale+MPSoC EV 系列产品作为中央处理单元；
除此之外，处理器部分还整合了 JTAG 调试接口、双片 8 位宽 128 Mbit NOR Flash 存
储单元及 Micro SD 卡插槽与相关电路组件，构成系统的三种引导模式： JTAG 接口
主要用于 Vivado ILA 测试环节， Flash 负责程序固化存储， SD 卡在视频采集与压缩
系统中主要用来存放 BOOT.BIN 和文件系统。核心处理模块与数据片外存储模块相
连，其中 PL 逻辑端搭配一颗 2400 MHz 频率、总容量为 4 Gb 的 DDR4 内存颗粒，
用于缓存图像预处理阶段的视频数据； PS 处理器端则连接四颗同样频率为 2400 MHz 、
总容量达 4 Gb 的 DDR4 存储器，支持 Petalinux 操作系统运行并提供视频压缩数据
的缓存空间；与视频数据输出模块相连，结合 RS422 芯片、 LVDS 驱动器以及千兆
以太网接口实现与外部设备的数据交互。另外，外设接口中提供 UART 、按键、开关、
LED 、 GPIO 等外设辅助系统调试。
电源、时钟及复位模块保证整个系统的正常工作。供电部分采用分布式电源架
构，以单一 5V 电源为输入，通过多组 DC-DC 转换芯片生成 9 种不同电压等级、 23
路独立供电通道，满足系统各功能模块的供电需求。时序与复位模块集成了系统所需
各频率的石英晶体振荡器，同时支持外部按键触发的手动复位功能，便于系统调试过
程中的操作控制。
3.2 MPSoC 最小系统原理设计
3.2.1 核心处理器模块设计
根据系统方案，主控芯片选用 Xilinx 公司的 Zynq UltraScale+ MPSoC EV 系列芯
片， EV 系列所包含的三种不同规格芯片中 PS 端所支持接口及 VCU 容量完全一致，
PL 端的可编程逻辑、内存及集成 IP （ Intellectual Property Core ）的资源量有所区别。
为避免造成芯片资源浪费增高成本，选用基础芯片即可，具体型号为 XAZU4EV-
2SFVC784 ，共包含 784 个引脚，将不同类别的 I/O 划分成若干个 Bank ，独立供电以
便于分配外设连接位置。引脚划分如图 3-2 所示。

如上图 3-2 所示， ZYNQ UltraScale+MPSoC EV 处理器系列中，输入 / 输出接口
单元 (I/O Bank) 可划分为 10 个不同类别：
（ 1 ） HP Bank ： High-performance Bank ，专为满足高速存储器与其他集成电路间
的接口性能需求而设计。该类接口最高支持 1.8V 工作电压， LVDS 信号传输速率上
限可达 1.6 Gbps [45] ；
（ 2 ） HD Bank ： High-density Bank ，表示支持高密度的 IO 标准。应用于低速 I/O
的场景，最高满足电压为 3.3V ，最高速率限制在 250Mb/s 以内，除此之外，还支持
LVDS 电平标准等 [46] ；
（ 3 ） PS CONFIG 503 ：处理系统配置 Bank 。用于启动 PS 端并配置 PL 端，支持
安全和非安全启动模式；
（ 4 ） PS DDR 504 ：处理系统 DDR 存储器接口。连接 DDR4 、 DDR3 、 DDR3L
或 LPDDR3 内存的 32 位或 64 位接口，以及连接 LPDDR4 内存的 32 位接口；
（ 5 ） PS GTR 505 ：处理系统多吉比特收发器接口。集成了四个专用 PS-GTR 收
发器，支持高达 6.0 Gb/s 的数据传输速率，支持 SGMII 三速以太网、 PCI Express®
Gen2 、串行 -ATA （ SATA ）、 USB3.0 和 DisplayPort ；
（ 6 ） PS MIO ：处理系统多路复用 I/O 。可灵活配置为多种通信标准，包括 SPI
与 Quad-SPI 闪存控制器、 NAND 存储接口、 USB 数据传输、以太网通信、 SDIO 卡
控制、 UART 串行通信、标准 SPI 及通用 GPIO 等多种功能模式。该接口组的最大工
作电压支持达到 3.3V 水平。
（ 7 ） GT Bank ： Gigabyte Transce ，表示高速收发器。在 UltraScale 架构中实现为
能耗优化型 GTH 收发器。这种接口支持的数据传输速率范围从 500Mb/s 延伸至
16.375Gb/s ，主要应用于多种高速通信标准的实现，如 PCIe 总线连接、 SFF 小型光
纤接口、 SFP+ 增强型光纤模块、 XAUI 扩展连接及 SATA 存储接口等高带宽数据交换
设计。
（ 8 ） SYSMON Configuration ：负责系统监控。用于监测 FPGA 片内温度、片内
供电电压，同时也可用于接入模拟信号，当做 ADC 使用。
（ 9 ） Configuration ：负责 PL 端的配置功能。如加载 PL 的配置比特流、初始化
过程、配置接口以及 PL 侧 IO 的一些属性等。
（ 10 ） PCIE4 集成块： PL 侧 PCIE 集成块。用于枚举 PCIe 设备并分配对应的地
址。
结合上述不同类型 Bank 单元的性能参数进行系统功能划分。在实际引脚规划与
电路构建阶段，需全面权衡多项因素，包括可用引脚数量、信号电平规范、数据传输
速率以及布局的便利程度。本系统核心处理器的引脚分配如图 3-3 所示。

在系统设计完成后需要对其性能进行验证，以确保设计满足性能指标要求。因此
本章主要对该系统各功能进行了软件调试和上板验证，包括视频采集测试、 H.265 压
缩到本地存储测试、压缩码流实时播放测试、时间戳处理、压缩码流 PL 端数据再处
理输出测试。为此搭建一套图像采集与处理系统的测试与调试系统，系统包含专用计
算机、硬件板卡、测试线缆及网线等。测试方法：利用专用上位机软件进行命令下发
控制命令和接收图像数据，使用 Vivado 软件内嵌的逻辑分析仪（ ILA ）对上电设备
进行抓取分析及调试，实时播放视频的通路则直接使用上位机软件进行播放。
5.1 系统环境搭建
视频采集与压缩系统的硬件围绕 ZynqUltraScale+ MPSoc 搭建一个完整的测试系
统。系统使用到的有：
（ 1 ）带有 Windows10 系统和虚拟机的 PC 机：构建 Vivado 及 Petalinux 工程，
编译运行环境、部署上位机软件与板卡通信；
（ 2 ）硬件板卡及线缆：根据第三章的硬件设计进行板卡制作，为系统的实验提
供硬件平台； KJ30J 线缆（用于接收 4K@60Hz 高清视频）、 CPCI 接插件（传输 LVDS
数据）、 J30J 线缆（用于传输 PCM 数据）；
（ 3 ）启动条件：电源 5V 输入、 SD 卡（用于 Petalinux 系统存储）。系统的整体
测试环境搭建如图 5-1 所示。


5.3.3 PS-PL 交互测试
（一） AXI-BRAM 交互测试
在实际功能中， AXI-BRAM 主要传输小批量数据，如时间戳的请求与传输，控
制命令的接收与回令，因此本节主要对时间的交互以及命令的交互进行测试。当图像
压缩流水线管道检测到一帧图像后，通过 AXI-BRAM 接口向 PL 端发送固定请求命
令 PS2PL_DATA ，并产生请求脉冲 PS2PL_DATA_VALID ，表示当前时间请求命令有
效。外部授时模块接收到后，返回当前的同步时间数据 PL2PS_DATA ，并产生中断
信号告知 PS 端进行读取 AXI-BRAM 中的有效数据。 PL 端使用 ILA 抓取 AXI-BRAM
时间戳数据交互如图 5-12 所示。
AXI-BRAM 时间戳数据交互在 PS 端执行顺序为：发送时间请求、等待 PL 端中
断触发接收进程、 PS 端中断接收并解析时间戳数据。如图 5-13 所示，系统日志详细
记录了 PS 端初始化过程和数据交互流程。 PS 端首先初始化各种内存映射，分别成
功映射了 PL 到 PS 的 BRAM （地址 0xffff92f3c000 ）、 PS 到 PL 的 BRAM （地址
0xffff92f3a000 ）以及 PL BRAM 控制寄存器（地址 0xffff92f39000 ）。随后启动了 BRAM
监控线程，负责监控 BRAM 中的控制命令。当图像压缩流水线管道建立后，系统立
即通过 BRAM 向 PL 端发送了时间戳请求命令。