Video In to AXI-Stream IP 核：架构、应用与实现(上)

在现代视频处理系统中，将摄像头、ADC 等视频输入设备的原始信号转换为标准化的数据流格式是至关重要的环节。Video In to AXI-Stream IP 核作为连接物理视频源与片上视频处理链路的桥梁，能够将并行视频数据转换为符合 AXI-Stream 协议的串行数据流，为异构计算平台中的视频处理提供统一的接口标准。本文将深入解析该 IP 核的工作原理、技术特性及应用方法。

一、Video In to AXI-Stream IP 核的功能与定位

Video In to AXI-Stream IP 核的核心功能是实现视频输入信号到 AXI-Stream 协议流的转换与适配。在典型的视频处理系统中，它处于信号链路的前端位置：

上游连接：接收来自 CMOS 摄像头、HDMI 接收器、视频 ADC 等设备的并行视频数据，这些数据通常包含像素时钟（Pixel Clock）、水平同步（HSYNC）、垂直同步（VSYNC）、数据有效（DE）等控制信号，以及并行的像素数据（如 8/16/24 位 RGB 或 YUV 数据）。

下游输出：将转换后的视频流通过 AXI-Stream 接口传输给后续处理模块，如视频缩放器、格式转换器、图像处理器或 DMA 控制器，最终送达存储器或显示设备。

该 IP 核解决了视频源多样性与处理单元标准化之间的矛盾，通过抽象硬件接口差异，使视频处理链路能够灵活适配不同类型的输入设备，同时利用 AXI-Stream 协议的高带宽特性支持高清甚至超高清视频传输。

二、IP 核的内部架构与工作流程

Video In to AXI-Stream IP 核的内部架构可分为五个关键模块，协同完成视频信号的转换与传输：

1. 视频输入接口模块

该模块负责物理层信号的接收与同步，支持多种视频格式的时序解析：

可配置的像素数据宽度（8/10/12/16/24/32 位），适应不同色彩深度的视频源

同步信号检测电路，能够识别分离同步（HSYNC/VSYNC）或嵌入式同步（如 BT.656）

时钟域隔离单元，通过异步 FIFO 解决输入像素时钟与系统时钟的跨域问题

2. 格式解析与预处理模块

对输入视频数据进行初步处理，为 AXI-Stream 转换做准备：

色彩空间转换（可选）：支持 RGB 到 YUV422/YUV444 的实时转换

像素重排：将并行像素数据按 AXI-Stream 要求的字节顺序重组

无效数据剔除：根据 DE 信号过滤消隐期的无效像素，减少数据传输量

3. AXI-Stream 协议转换模块

这是 IP 核的核心模块，实现并行视频数据到串行数据流的转换：

控制信号嵌入：将 HSYNC/VSYNC/DE 等同步信息通过 AXI-Stream 的 TUSER 信号携带

包结构生成：按视频帧 / 行边界生成 TLAST 信号，标识数据块结束

数据速率适配：通过流量控制逻辑（TVALID/TREADY 握手）匹配上下游模块的处理能力

4. 配置与状态寄存器模块

提供 AXI4-Lite 接口用于 IP 核的参数配置与状态监控：

视频时序参数寄存器（行宽、场高、同步脉冲宽度等）

格式配置寄存器（像素宽度、色彩空间、数据排列方式）

状态指示寄存器（锁定状态、错误标志、帧计数）

5. 错误检测与处理模块

增强系统可靠性的辅助模块：

同步丢失检测：当输入视频时序异常时触发中断

数据校验：对像素数据进行可选的奇偶校验或 CRC 校验

错误恢复：支持自动重新同步或外部复位触发的恢复机制