3 FPGA內部模塊工作原理

3.1輸入時序控制模塊與輸出時序控制模塊

輸入時序控制模塊是根據輸入視頻信號的同步信號和時序要求，確保有效的圖像數據能夠順利寫入FIFO進行緩存。例如當模塊接收到場同步信號時，FIFO進入即將寫入的狀態，當模塊接收到使能信號時， FIFO開始寫入數據，這樣能確保寫入FIFO的數據是從完整1幀圖像的起始開始寫入。

輸出時序控制模塊的功能是產生輸出圖像所必需的同步信號、場同步信號和行同步信號，以保證輸出圖像的數據與時序一致，從而使圖像可以正確地顯示在顯示器上。

輸入輸出時序控制模塊，按照計數器的方法進行設計[2]。例如VGA信號的1幀圖像的總像素要求為800×525，其中有效像素為640×480。對于行掃描來說可設置1~96像素時鐘計數為行同步信號，97~144像素時鐘計數為行消隱后肩，145~784像素時鐘計數為圖像有效像素顯示，685~800像素時鐘計數為行消隱前肩。完成一行后，計數器置0，等待新的行同步信號到來再重新計數。在圖像有效像素時鐘內，讓寫入FIFO使能信號處于有效狀態，而其余時間使能信號處于無效狀態，這樣可保證有效圖像數據能準確寫入FIFO進行緩存，并等待下一步的處理。

3.2 圖像縮放器模塊

如圖3所示，圖像縮放器模塊主要完成對輸入圖像數據源進行分辨率的縮放。根據設計，輸入的圖像數據為VGA 640×480格式，輸出的圖像數據為XGA 1024×768格式。由于輸入圖像數據與輸出圖像數據在完整1幀中的每一行像素點和每一列的數量上之比都為5:8，因此可考慮對輸入的VGA信號作5:8的放大。先對數據在水平方向上進行插值放大，然后再進行垂直方向上的放大，設計中水平方向和垂直方向的插值放大均使用分級雙線性插值算法。

圖3 圖像縮放器模塊框圖

3.2.1分級雙線性插值 [3]

在雙線性插值算法中，插值點的值根據其相鄰的4個已知點計算得出，如圖4所示。

圖4 雙線性插值算法原理圖

已知a、b、c、d為輸入圖像內的相鄰的4個點，其灰度值表示為f(x)。待插像素f點映射到原圖像后的坐標值小數部分為[m,n]。計算f點灰度值的過程如式(1)~式(3)所示：

f[g]=f[a]+m(f(b)-f(a)) (1)

f[h]=f[c]+m(f(d)-f(c)) (2)

f[f]=f[g]+m(f(h)-f(g))

=(1-m)(1-n)f(a)+m(1-n)f(b)+(1-m)nf(c)+mnf(d) (3)

分級雙線性插值使用的4個源圖像像素點都是待插值點的直接鄰點。插值的計算過程如下：

g(x)=(f(a)(m×N)+f(b)×(1-m)N)/N

其中，m與1-m分別是a點與b點的權值。因為是做5:8的轉換，這里取C=N=8， 將原來為5個像素點的長度區間劃分為8個區間，每個區間都有m×N與(1-m)N這一對權值組成的整數對。每個區間內部的待插值點都與該區間左邊界取同樣的值。8個區間的權值對應于(8,0)、(7,1)、(6,2)、(5,3)(4,4)、(3,5)、(2,6)和(1,7)。在確定好了點位置后，以查找表的方式寫入權值與位置之間的關系，最后可根據內插點與臨近點的相對位置查找對應系數，并通過計算得出各像素點的灰階值。

3.2.2具體插值過程

3.2.2.1水平插值

將雙線性插值分解為水平和垂直方向進行，由于是把原圖像作5：8的放大，所以根據分級雙線性插值，把原水平方向的5個像素點采用分8級雙線性插值送入水平插值器。水平插值器由計數器與使能信號同時控制，每間隔5個時鐘，水平插值器使能端置于計算插值狀態，把進入的5個值進行一次插值變成新的8個像素點，之后再間隔5個時鐘，將新的值進入插值器進行插值,直到把1行640個像素點插值為1行1 024個像素點。

3.2.2.2 垂直插值

垂直插值器完成垂直方向5:8的轉換，即5行數據變為8行數據的轉換，插值過程是按垂直方向對原來的5行數據采用分8級雙線性插值,變換為新的8行數據。

完成水平插值的數據流水線型通過FIFO1與FIFO2模塊，期間將FIFO1與FIFO2的值送入垂直插值器進行插值，完成垂直插值后的數據送入FIFO3與FIFO4模塊，輸出順序排列在先的送入FIFO3，而另外一行數據進入FIFO4。FIFO3與FIFO4之間的數據也是流水線型進入到DDR2 SDRAM模塊中，整個過程通過使用狀態機對垂直插值進行控制，使經過垂直插值后的數據能以正確的順序完成插值，并且送入DDR2 SDRAM模塊。把對原5行數據經過水平和垂直插值變為8行數據的時間作為一個周期，直到完成整1幀VGA格式圖像到1幀XGA圖像的放大。

3.3 DDR2 SDRAM控制器模塊

控制器模塊的具體作用為：當SCALER完成圖像數據處理后，把圖像數據送進DDR2中儲存,在確保DDR2中存儲有2幀完整圖像時，DDR2的讀出端才開始讀取，從第一幀圖像地址讀取圖像數據，然后據根據時序控制從DDR2輸出。當讀完第一幀后，繼續讀取第二幀，此時第三幀繼續寫入原第一幀地址，之后的讀取寫入都按此過程進行。

由于DDR2 SDRAM不能同時寫入和讀出，所以需要DDR2 SDRAM控制器加以控制。可根據連接到DDR2 SDRAM模塊寫入端和讀出端的FIFO內部已存數據數量進行讀寫控制。寫入端前的FIFO即為圖3的FIFO3。連接到DDR2讀出端的FIFO為圖3的FIFO2，它與輸出時序控制模塊共同完成最終所需XGA圖像的輸出。DDR2 SDRAM每次操作指令時，以1行數據為單位，即接受1次讀命令，則讀出1行數據;同樣，接受1次寫入命令，則寫入1行數據，此1行數據同時為XGA格式的1行(1 024個像素點數據)。