Zynq UltraScale+ MPSoC 的多媒体功能解决方案（连载一）——方案概述

消费者渴望更高的视频质量，推动了视频技术的发展。MPSoC 基于 Zynq-7000SoC ，包括一个可编程逻辑 (PL) 的桥接处理系统 (PS)，但它在 Zynq UltraScale+ MPSoC进行了额外的扩展，因而非常适合多媒体应用领域。主要的区别包括:针对 UHD-4K 集成了支持 H.264 / H.265 的视频编解码器单元，适用但不仅仅适用于监控、视频会议、嵌入式视觉和一些广播应用等领域，实现低时延的编码，同时相对于服务器或可编程逻辑而言能效更高。该功耗优化型图形子系统基于 ARM Mali-400，这是一种业经验证的完善架构，非常适用于 2D 和 3D 图形。PL 可编程性可提供：(a) 任意到任意高速视频/ 音频接口的灵活性及可扩展性；(b)为多媒体管道带来定制图像及视频处理功能的差异化效果。

Zynq UltraScale+ MPSoC 多媒体解决方案

Zynq UltraScale+ MPSoC 是一款异构 SoC，包括许多处理引擎、一系列高速外设、高级 I/O 功能和 PL。处理引擎包括基于四核 ARM Cortex A53 的 APU、基于双核 ARM Cortex R5 的 RPU、Mali 图形处理单元、平台管理单元和视频编解码器单元 (VCU)。它可将图形与视频流水线化等关键应用交由专用处理块分担，也能通过高效的电源域与电源分区开关不同的块。通过多种互联选择、DSP 块和 PL 选择，Zynq UltraScale+ MPSoC 的整体灵活性能满足用户许多不同的应用需求。
Zynq UltraScale+ MPSoC框架图

该产品系列的可扩展性能完美满足设计师的要求，使用单个平台和业界标准的工具即可同时满足成本敏感型和高性能应用的需求。

为了实现高性能、先进的多媒体系统，必须采用适当的处理引擎，还要能添加定制逻辑以实现差异化。此外，也可支持当今多种多媒体设备所需的任意到任意的连接功能。此前，要满足上述要求，往往要采用多芯片解决方案。虽然多芯片解决方案可能提供所需的多媒体和连接功能，但也会导致高功耗。像Zynq UltraScale+ MPSoC 这种单芯片解决方案则能解决该问题。定制逻辑能在同一器件上满足硬件加速或任意到任意的连接需求，从而能显著节约功耗。除了处理引擎、硬件编解码器（自带功耗管理功能）和对定制逻辑的支持之外，Zynq UltraScale+ MPSoC 将这些组件放置在具有独立电轨的不同电源域中。这种配置可用于为整个系统设计优化功耗管理方案。Zynq UltraScale+ MPSoC 采用台积电 16nmFinFET 工艺节点，这就能大幅提高性能并降低功耗，也能支持下一代节能型多媒体系统的设计。

集成型视频编解码器单元 (VCU)

软件视频编解码器实现方案有很多种，但实际上 , 所有软件都要在硬件上运行。使用基于软件的编解码器解决方案，以合理的帧速率实现具有出色视频质量 (VQ) 的高压缩比，需要多个高功耗服务器类 CPU，此类 CPU 通常部署在云端。

由于必须远离设备，实时压缩通常无法实现。不过软件实施方案极为灵活，系统也能进行高度优化。但是，在软件中实现十分灵活，系统也极可能得到优化。另一种解决方案是在 PL 中实现软 IP 块。这种实现方案相对于离线软件模式或许性能较低，但能实现低时延压缩。相对于服务器级 CPU 而言，功耗得以改善，但并不像全集成解决方案那么出色。通常高级编解码器需要相对较大的可编程逻辑器件 ；但是，部署后的可编程性则为该解决方案提供了高度灵活性。

Zynq UltraScale+ MPSoCs 采用了另一种策略，即使用硬化的专用视频编解码器块。由于采用包含硬化 VCU 的单晶片，与其他策略相比，Zynq UltraScale+ MPSoC 可实现具有低时延路径、低功耗的实时压缩。由于采用了专用的编解码器引擎，应用处理单元 (APU) 和/或 PL 能用于其他计算。

VCU 可提供多标准编码解码功能，包括支持 AVC/H.264 和 HEVC/H.265 标准。它不仅同时具有编码（压缩）和解码（解压缩）功能，还支持 60Hz 下分辨率高达 4K UHD 的并行编码解码功能如果降低帧率，还能支持 4K 乃至更高的 DCI 等更高分辨率。VCU 可同时支持多达八个不同的视频流。同时处理不同视频流的总带宽要求不得超过 VCU 在 60fps 下对 4K UHD 的最大处理吞吐量。图 3 给出了不同的视频编码解码器实施策略。

视频编解码器实现策略

VCU 是 PL 中的集成块，可支持 H.265 (HEVC) 和 H.264 (AVC) 标准，与处理系统 (PS) 非直连（硬连接）。使用赛灵思Vivado IP 集成器，设计人员可将 VCU 连接至应用处理单元 (APU) 以及 PS 和/或 PL中的存储器子系统。

视频编解码器块

与软件编码解码器不同，Zynq UltraScale+ MPSoC EV 器件中的 VCU 支持 H.264/H.265 视频数据的低功耗高性能压缩和解压缩。H.264/H.265 视频数据的低功耗、高性能压缩和解压缩。使其能够完美支持网络上的实时 UHD 视频流，可节约大量存储空间与网络带宽。VCU 同时支持 H.264 和 H.265 标准，有助于开发满足当前市场需求 (H.264) 和下一代高级需求 (H.265) 的解决方案。采用低时延方式同时编码与解码的能力使其完美支持视频会议和 H.264、H.265 之间的转码要求。多视频流多编解码器的编码与解码能力可满足 DVR、视频服务器和多视频流 IP 摄像头的视频监控头端应用要求。由于支持高达 4:2:2 10 位 UHD-4K 的视频格式，VCU 也适合专业和高端消费级的制作与后期制作解决方案。AllProgrammable Zynq UltraScale+ MPSoCEV 器件结合集成 VCU 规范，为各种多媒体市场带来了理想的低成本、单芯片解决方案。