FPGA 图像缩放 1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII实现 UDP 网络视频传输，提供工程和QT上位机源码加技术支持

1、前言

没玩过UDP协议栈都不好意思说自己玩儿过FPGA，这是CSDN某大佬说过的一句话，鄙人深信不疑。。。本文使用Xilinx的Artix7 FPGA基于1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII实现千兆网UDP视频传输(视频缩放后再传输)，视频源有两种，分别对应开发者手里有没有摄像头的情况，一种是使用板载的HDMI输入接口(笔记本电脑输入模拟HDMI输入源)；另一种是如果你的手里没有摄像头，或者你的开发板没HDMI输入接口，则可使用代码内部生成的动态彩条模拟摄像头视频，视频源的选择通过代码顶层的define宏定义进行，上电默认选择HDMI输入接口作为视频输入源；FPGA采集视频后，首先使用纯verilog实现的图像缩放模块对视频进行缩小操作，即从输入的1920x1080分辨率缩小为1280x720，因为我们的QT上位机目前只支持1280x720，所以才需要缩放；使用FDMA将视频缓存到DDR3中，然后将视频读出，根据与QT上位机的通信协议将视频进行UDP数据组包，然后使用我们的UDP协议栈对视频进行UDP数据封装，再将数据送入Tri Mode Ethernet MAC IP，输出GMII格式数据给1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII，1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII在这里充当了网络变压器的角色，所以不需要外接例如RTL8211、B50610等PHY，然后UDP视频通过开发板板载的SFP光口经光模块转网口通过网线传输给电脑主机，电脑端用我们提供的QT上位机采集图像并显示；提供vivado2019.1版本的FPGA工程源码和QT上位机及其源码；

FPGA 图像缩放 1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII实现 UDP 网络视频传输的设计方案，工程代码可综合编译上板调试，可直接项目移植，适用于在校学生、研究生项目开发，也适用于在职工程师做学习提升，可应用于医疗、军工等行业的高速接口或图像处理领域；
提供完整的、跑通的工程源码和技术支持；
工程源码和技术支持的获取方式放在了文章末尾，请耐心看到最后；

版本更新说明

此版本为第2版，根据读者的建议，对第1版工程做了如下改进和更新：
1：增加了输入视频动态彩条的选择，有的读者说他手里没有OV5640摄像头，或者摄像头原理图和我的不一致，导致在移植过程中困难很大，基于此，增加了动态彩条，它由FPGA内部产生，不需要外接摄像头就可以使用，使用方法在后文有说明，本例程板载的是HDMI输入接口，没有该接口的朋友可以选择使用动态彩条；
2：优化了FDMA，之前的FDMA内AXI4的数据读写突发长度为256，导致在低端FPGA上带宽不够，从而图像质量不佳，基于此，将FDMA内AXI4的数据读写突发长度改为128；
3：优化了UDP协议栈及其数据缓冲FIFO组的代码，并在博文里增加了这一部分的代码说明；
4：优化了整体代码架构，使得之前看起来杂乱无章的代码变得清爽简洁；

免责声明

本工程及其源码即有自己写的一部分，也有网络公开渠道获取的一部分(包括CSDN、Xilinx官网、Altera官网等等)，若大佬们觉得有所冒犯，请私信批评教育；基于此，本工程及其源码仅限于读者或粉丝个人学习和研究，禁止用于商业用途，若由于读者或粉丝自身原因用于商业用途所导致的法律问题，与本博客及博主无关，请谨慎使用。。。

2、相关方案推荐

UDP视频传输--无缩放

我这里有与本博客相似的UDP视频传输方案，但他的输入视频没有进行缩放操作，而是直接缓存后送UDP协议栈输出，博客链接如下：直接点击前往

FPGA图像缩放方案

本博客使用到的图像缩放方案，是我之前发布过的一篇博文的内容，对该图像缩放部分感兴趣的可以参考，博客链接如下：直接点击前往

我这里已有的以太网方案

目前我这里有大量UDP协议的工程源码，包括UDP数据回环，视频传输，AD采集传输等，也有TCP协议的工程，还有RDMA的NIC 10G 25G 100G网卡工程源码，对网络通信有需求的兄弟可以去看看：直接点击前往
其中千兆TCP协议的工程博客如下：
直接点击前往

3、设计思路框架

FPGA工程设计框图如下：
在这里插入图片描述

视频源选择

视频源有两种，分别对应开发者手里有没有摄像头的情况，一种是使用板载的HDMI输入接口；另一种是如果你的手里没有摄像头，或者你的开发板没HDMI输入接口，则可使用代码内部生成的动态彩条模拟摄像头视频，视频源的选择通过代码顶层的宏定义进行，上电默认选择HDMI输入接口作为视频输入源；
视频源的选择通过代码顶层的`define宏定义进行；如下：
在这里插入图片描述
选择逻辑代码部分如下：

选择逻辑如下：
当(注释) define COLOR_IN时，输入源视频是动态彩条；
当(不注释) define COLOR_IN时，输入源视频是HDMI输入；

ADV7611 解码芯片配置及采集

ADV7611 解码芯片需要i2c配置才能使用，ADV7611 解码芯片配置及采集这两部分均用verilog代码模块实现，代码位置如下：
在这里插入图片描述
代码中配置为1920x1080分辨率；

动态彩条

动态彩条可配置为不同分辨率的视频，视频的边框宽度，动态移动方块的大小，移动速度等都可以参数化配置，我这里配置为辨率1920x1080，动态彩条模块代码位置和顶层接口和例化如下：
在这里插入图片描述

跨时钟FIFO

跨时钟FIFO的作用是为了解决跨时钟域的问题，当视频不进行缩放时不存在视频跨时钟域问题，但当视频缩小或放大时就存在此问题，用FIFO缓冲可以使图像缩放模块每次读到的都是有效的输入数据，注意，原视频的输入时序在这里就已经被打乱了；

图像缩放模块详解

因为我们的QT上位机目前只支持1280x720，所以才需要缩放，即从输入的1920x1080分辨率缩小为1280x720；用笔记本电脑模拟HDMI视频输入源；

设计框图

本设计将常用的双线性插值和邻域插值算法融合为一个代码中，通过输入参数选择某一种算法；代码使用纯verilog实现，没有任何ip，可在Xilinx、Intel、国产FPGA间任意移植；代码以ram和fifo为核心进行数据缓存和插值实现，设计架构如下：
在这里插入图片描述
视频输入时序要求如下：

输入像素数据在dInValid和nextDin同时为高时方可改变；
视频输出时序要求如下：

输出像素数据在dOutValid 和nextdOut同时为高时才能输出；

代码框图

代码使用纯verilog实现，没有任何ip，可在Xilinx、Intel、国产FPGA间任意移植；
图像缩放的实现方式很多，最简单的莫过于Xilinx的HLS方式实现，用opencv的库，以c++语言几行代码即可完成，关于HLS实现图像缩放请参考我之前写的文章HLS实现图像缩放
网上也有其他图像缩放例程代码，但大多使用了IP，导致在其他FPGA器件上移植变得困难，通用性不好；相比之下，本设计代码就具有通用性；代码架构如图；
在这里插入图片描述
其中顶层接口部分如下：

2种插值算法的整合与选择

本设计将常用的双线性插值和邻域插值算法融合为一个代码中，通过输入参数选择某一种算法；
具体选择参数如下：

input  wire i_scaler_type //0-->bilinear;1-->neighbor

通过输入i_scaler_type 的值即可选择；

输入0选择双线性插值算法；
输入1选择邻域插值算法；

关于这两种算法的数学差异，请参考我之前写的文章HLS实现图像缩放

UDP协议栈

本UDP协议栈方案需配合Xilinx的Tri Mode Ethernet MAC三速网IP一起使用，使用UDP协议栈网表文件，虽看不见源码但可正常实现UDP通信，该协议栈目前并不开源，只提供网表文件，但不影响使用，该协议栈带有用户接口，使得用户无需关心复杂的UDP协议而只需关心简单的用户接口时序即可操作UDP收发，非常简单；
协议栈架构如下：
在这里插入图片描述
协议栈性能表现如下：
1：支持 UDP 接收校验和检验功能，暂不支持 UDP 发送校验和生成；
2：支持 IP 首部校验和的生成和校验，同时支持 ICMP 协议中的 PING 功能，可接收并响应同一个子网内部设备的 PING 请求；
3：可自动发起或响应同一个子网内设备的 ARP 请求，ARP 收发完全自适应。ARP 表可保存同一个子网内部256 个 IP 和 MAC 地址对；
4：支持 ARP 超时机制，可检测所需发送数据包的目的 IP 地址是否可达；
5：协议栈发送带宽利用率可达 93%，高发送带宽下，内部仲裁机制保证 PING 和 ARP 功能不受任何影响；
6：发送过程不会造成丢包；
7：提供64bit位宽AXI4-Stream形式的MAC接口，可与Xilinx官方的千兆以太网IP核Tri Mode Ethernet MAC，以及万兆以太网 IP 核 10 Gigabit Ethernet Subsystem、10 Gigabit Ethernet MAC 配合使用；
有了此协议栈，我们无需关心复杂的UDP协议的实现了，直接调用接口即可使用。。。
本UDP协议栈用户接口发送时序如下：
在这里插入图片描述
本UDP协议栈用户接口接收时序如下：

UDP视频数据组包

实现UDP视频数据的组包，UDP数据发送必须与QT上位机的接受程序一致，上位机定义的UDP帧格式包括帧头个UDP数据，帧头定义如下：
在这里插入图片描述
FPGA端的UDP数据组包代码必须与上图的数据帧格式对应，否则QT无法解析，代码中定义了数据组包状态机以及数据帧，如下：

另外，由于UDP发送是64位数据位宽，而图像像素数据是24bit位宽，所以必须将UDP数据重新组合，以保证像素数据的对齐，这部分是整个工程的难点，也是所有FPGA做UDP数据传输的难点；

UDP协议栈数据发送

UDP协议栈具有发送和接收功能，但这里仅用到了发送，此部分代码架构如下：
在这里插入图片描述
UDP协议栈代码组我已经做好，用户可直接拿去使用；

UDP协议栈数据缓冲

这里对代码中用到的数据缓冲FIFO组做如下解释：
由于 UDP IP 协议栈的 AXI-Stream 数据接口位宽为 64bit，而 Tri Mode Ethernet MAC 的 AXI-Stream数据接口位宽为 8bit。因此，要将 UDP IP 协议栈与 Tri Mode Ethernet MAC 之间通过 AXI-Stream 接口互联，需要进行时钟域和数据位宽的转换。实现方案如下图所示：
在这里插入图片描述
收发路径(本设计只用到了发送)都使用了2个AXI-Stream DATA FIFO，通过其中1个FIFO实现异步时钟域的转换，1个FIFO实
现数据缓冲和同步Packet mode功能；由于千兆速率下Tri Mode Ethernet MAC的AXI-Stream数据接口同步时钟信号为125MHz，此时，UDP协议栈64bit的AXI-Stream数据接口同步时钟信号应该为125MHz/(64/8)=15.625MHz，因此，异步
AXI-Stream DATA FIFO两端的时钟分别为125MHz(8bit)，15.625MHz(64bit)；UDP IP协议栈的AXI-Stream接口经过FIFO时钟域转换后，还需要进行数据数据位宽转换，数据位宽的转换通过AXI4-Stream Data Width Converter完成，在接收路径中，进行 8bit 到 64bit 的转换；在发送路径中，进行 64bit 到 8bit 的转换；

IP地址、端口号的修改

UDP协议栈留出了IP地址、端口号的修改端口供用户自由修改，位置如下：
在这里插入图片描述

Tri Mode Ethernet MAC

Tri Mode Ethernet MAC主要是为了适配1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII，因为后者的输入接口是GMII，而Tri Mode Ethernet MAC的输入接口是AXIS，输出接口是GMII，Tri Mode Ethernet MAC配置如下：
在这里插入图片描述

1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII

1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII在这里充当了网络变压器的角色，所以不需要外接例如RTL8211、B50610等PHY，1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII配置为1G，其与MAC的接口为GMII，配置如下：
在这里插入图片描述

QT上位机和源码

我们提供和UDP通信协议相匹配的QT抓图显示上位机及其源代码，目录如下：
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我们的QT目前仅支持1280x720分辨率的视频抓图显示，但同时预留了1080P接口，对QT开发感兴趣的朋友可以尝试修改代码以适应1080P，因为QT在这里只是验证工具，不是本工程的重点，所以不再过多赘述，详情请参考资料包的QT源码，位置如下：
在这里插入图片描述

4、vivado工程详解

开发板FPGA型号：Xilinx--Artix7--xc7a35tfgg484-2；
开发环境：Vivado2019.1；
输入：HDMI或动态彩条，分辨率1920x1080；
输出：SFP光口；
工程作用：FPGA基于1G/2.5G Ethernet PCS/PMA or SGMII实现 UDP 网络视频传输；
工程BD如下：
在这里插入图片描述
工程代码架构如下：

工程的资源消耗和功耗如下：

5、工程移植说明

vivado版本不一致处理

1：如果你的vivado版本与本工程vivado版本一致，则直接打开工程；
2：如果你的vivado版本低于本工程vivado版本，则需要打开工程后，点击文件-->另存为；但此方法并不保险，最保险的方法是将你的vivado版本升级到本工程vivado的版本或者更高版本；
在这里插入图片描述
3：如果你的vivado版本高于本工程vivado版本，解决如下：

打开工程后会发现IP都被锁住了，如下：

此时需要升级IP，操作如下：