FPGA实现SDI视频接收转USB3.0传输，GS2971+FT601方案，提供4套工程源码和QT上位机源码

1、前言

目前FPGA实现SDI视频编解码有两种方案：一是使用专用编解码芯片，比如典型的接收器GS2971，发送器GS2972，优点是简单，比如GS2971接收器直接将SDI解码为并行的YCrCb422，GS2972发送器直接将并行的YCrCb422编码为SDI视频，缺点是成本较高，可以百度一下GS2971和GS2972的价格；另一种方案是使用FPGA逻辑资源部实现SDI编解码，利用Xilinx系列FPGA的GTP/GTX资源实现解串，利用Xilinx系列FPGA的SMPTE SDI资源实现SDI编解码，优点是合理利用了FPGA资源，GTP/GTX资源不用白不用，缺点是操作难度大一些，对FPGA开发者的技术水平要求较高。有意思的是，这两种方案在本博这里都有对应的解决方案，包括硬件的FPGA开发板、工程源码等等。本设计采用GS2971芯片方案实现SDI视频解码；

目前USB3.0的实现方案很多，但就简单好用的角度而言，FT601应该是最佳方案，因为它电路设计简单，操作时序简单，软件驱动简单，官方甚至提供了包括FPGA驱动在内的丰富的驱动源码和测试软件；本设计旨在普及传播FT601芯片在FPGA领域实现USB3.0通信应用，包括FT601芯片解读、FT601芯片读写时序分析、FT601芯片硬件电路参考设计、FT601与PC端的QT上位机通信，包括FT601测速试验、FT601视频采集传输试验、FT601视频采集+图像处理后传输试验等等；本设计采用FT601芯片方案实现USB3.0图传方案；

工程概述

本设计基于GS2971+FT601架构实现FPGA的SDI视频接收转USB3.0传输，输入源为一个3G-SDI相机，也可以使用SD-SDI或者DH-SDI相机，因为本设计是三种SDI视频自适应的；同轴的SDI视频通过同轴线连接到GS2971转接板，GS2971解码芯片将同轴的串行的SDI视频解码为并行的BT1120格式视频；然后使用纯Verilog代码实现的BT1120转RGB888模块实现BT1120视频到RGB888的转换；然后使用本博常用的FDMA图像缓存架构实现图像3帧缓存，缓存介质为板载的DDR3/4；然后由FT601读写逻辑控制视频从DDR3/4中读出；FT601使用同步FIFO-245模式，工作模式通过GPIO0/GPIO1引脚配置；根据FT601读写时序设计了读写状态机；在PC端QT上位机控制下，FT601读写逻辑产生从DDR3/4中读取视频的控制信号，并将读出的视频通过FT601写数据总线发送到板载的FT601芯片；FPGA开发板通过USB3.0数据线连接至PC端主机；PC端的QT上位机调用FT601驱动的API实现图像读取并显示视频；由此形成外接3G-SDI相机+FPGA+FT601+QT上位机的珠联璧合；针对市面上主流的FPGA，本博客提供4套工程源码，具体如下：

现对上述4套工程源码做如下解释，方便读者理解：

工程源码1

开发板FPGA型号为Xilinx–>Kintex7–35T–xc7k325tffg900-2；输入源为3G-SDI相机，分辨率为1920x1080@60Hz，也可以使用SD-SDI或者DH-SDI相机，因为本设计是三种SDI视频自适应的；同轴的SDI视频通过同轴线连接到GS2971转接板，GS2971解码芯片将同轴的串行的SDI视频解码为并行的BT1120格式视频；然后使用纯Verilog代码实现的BT1120转RGB888模块实现BT1120视频到RGB888的转换；然后使用本博常用的FDMA图像缓存架构实现图像3帧缓存，缓存介质为板载的DDR3；然后由FT601读写逻辑控制视频从DDR3中读出；FT601使用同步FIFO-245模式，工作模式通过GPIO0/GPIO1引脚配置；根据FT601读写时序设计了读写状态机；在PC端QT上位机控制下，FT601读写逻辑产生从DDR3中读取视频的控制信号，并将读出的视频通过FT601写数据总线发送到板载的FT601芯片；FPGA开发板通过USB3.0数据线连接至PC端主机；PC端的QT上位机调用FT601驱动的API实现图像读取并显示视频；由此形成外接3G-SDI相机+FPGA+FT601+QT上位机的珠联璧合；Vivado工程和QT工程均提供源码；本工程适用于FPGA实现SDI视频接收转USB3.0传输；

工程源码2

开发板FPGA型号为Xilinx–>Zynq7100–xc7z100ffg900-2；输入源为3G-SDI相机，分辨率为1920x1080@60Hz，也可以使用SD-SDI或者DH-SDI相机，因为本设计是三种SDI视频自适应的；同轴的SDI视频通过同轴线连接到GS2971转接板，GS2971解码芯片将同轴的串行的SDI视频解码为并行的BT1120格式视频；然后使用纯Verilog代码实现的BT1120转RGB888模块实现BT1120视频到RGB888的转换；然后使用本博常用的FDMA图像缓存架构实现图像3帧缓存，缓存介质为板载的DDR3；然后由FT601读写逻辑控制视频从DDR3中读出；FT601使用同步FIFO-245模式，工作模式通过GPIO0/GPIO1引脚配置；根据FT601读写时序设计了读写状态机；在PC端QT上位机控制下，FT601读写逻辑产生从DDR3中读取视频的控制信号，并将读出的视频通过FT601写数据总线发送到板载的FT601芯片；FPGA开发板通过USB3.0数据线连接至PC端主机；PC端的QT上位机调用FT601驱动的API实现图像读取并显示视频；由此形成外接3G-SDI相机+FPGA+FT601+QT上位机的珠联璧合；Vivado工程和QT工程均提供源码；本工程适用于FPGA实现SDI视频接收转USB3.0传输；

工程源码3

开发板FPGA型号为Xilinx–>Kintex UltraScale–xcku040-ffva1156-2-i；输入源为3G-SDI相机，分辨率为1920x1080@60Hz，也可以使用SD-SDI或者DH-SDI相机，因为本设计是三种SDI视频自适应的；同轴的SDI视频通过同轴线连接到GS2971转接板，GS2971解码芯片将同轴的串行的SDI视频解码为并行的BT1120格式视频；然后使用纯Verilog代码实现的BT1120转RGB888模块实现BT1120视频到RGB888的转换；然后使用本博常用的FDMA图像缓存架构实现图像3帧缓存，缓存介质为板载的DDR4；然后由FT601读写逻辑控制视频从DDR4中读出；FT601使用同步FIFO-245模式，工作模式通过GPIO0/GPIO1引脚配置；根据FT601读写时序设计了读写状态机；在PC端QT上位机控制下，FT601读写逻辑产生从DDR4中读取视频的控制信号，并将读出的视频通过FT601写数据总线发送到板载的FT601芯片；FPGA开发板通过USB3.0数据线连接至PC端主机；PC端的QT上位机调用FT601驱动的API实现图像读取并显示视频；由此形成外接3G-SDI相机+FPGA+FT601+QT上位机的珠联璧合；Vivado工程和QT工程均提供源码；本工程适用于FPGA实现SDI视频接收转USB3.0传输；

工程源码4

开发板FPGA型号为Xilinx–>Kintex UltraScale–xcku060-ffva1156-2-i；输入源为3G-SDI相机，分辨率为1920x1080@60Hz，也可以使用SD-SDI或者DH-SDI相机，因为本设计是三种SDI视频自适应的；同轴的SDI视频通过同轴线连接到GS2971转接板，GS2971解码芯片将同轴的串行的SDI视频解码为并行的BT1120格式视频；然后使用纯Verilog代码实现的BT1120转RGB888模块实现BT1120视频到RGB888的转换；然后使用本博常用的FDMA图像缓存架构实现图像3帧缓存，缓存介质为板载的DDR4；然后由FT601读写逻辑控制视频从DDR4中读出；FT601使用同步FIFO-245模式，工作模式通过GPIO0/GPIO1引脚配置；根据FT601读写时序设计了读写状态机；在PC端QT上位机控制下，FT601读写逻辑产生从DDR4中读取视频的控制信号，并将读出的视频通过FT601写数据总线发送到板载的FT601芯片；FPGA开发板通过USB3.0数据线连接至PC端主机；PC端的QT上位机调用FT601驱动的API实现图像读取并显示视频；由此形成外接3G-SDI相机+FPGA+FT601+QT上位机的珠联璧合；Vivado工程和QT工程均提供源码；本工程适用于FPGA实现SDI视频接收转USB3.0传输；

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

本博已有的 SDI 编解码方案

我的博客主页开设有SDI视频专栏，里面全是FPGA编解码SDI的工程源码及博客介绍；既有基于GS2971/GS2972的SDI编解码，也有基于GTP/GTX资源的SDI编解码；既有HD-SDI、3G-SDI，也有6G-SDI、12G-SDI等；专栏地址链接如下：
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本博已有的FPGA驱动USB通信方案

我的博客主页开设有FPGA驱动USB通信专栏，里面全是FPGA驱动USB通信的工程源码及博客介绍；既有基于USB2.0也有USB3.0方案；包括USB2.0/3.0测速试验、USB2.0/3.0视频采集传输试验、USB2.0/3.0视频采集+图像处理后传输试验等等；所有工方案均包括FPGA工程和QT上位机源码；专栏地址链接如下：
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FPGA基于GS2971的SDI视频解码方案

本方案采用GS2971接收SDI视频，然后进行图像缓存操作（图像缓存方案包括FDMA方案和VDMA方案，缓存介质包括PL端DDR3、PS端DDR3），最后以HDMI方式输出，提供3套工程源码，3套工程源码详情请参考“1、前言”中的截图，详细设计方案请参考我专门的博客，博客链接如下：
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FPGA基于FT601的USB3.0视频传输方案

FPGA基于FT601的USB3.0视频传输，详细设计方案请参考我专门的博客，博客链接如下：
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3、详细设计方案

设计原理框图

设计原理框图如下：

SDI 相机

我用到的是SDI相机为HD-SDI相机，输出分辨率为1920x1080@30Hz，本工程对SDI相机的选择要求范围很宽，可以是SD-SDI、HD-SDI、3G-SDI，因为很设计对这三种SDI视频是自动识别并自适应的；SDI相机相对比较贵，预算有限的朋友可以考虑用HDMI转SDI盒子模拟SDI相机，这种盒子某宝一百块左右；当使用HDMI转SDI盒子时，输入源可以用笔记本电脑，即用笔记本电脑通过HDMI线连接到HDMI转SDI盒子的HDMI输入接口，再用SDI线连接HDMI转SDI盒子的SDI输出接口到FPGA开发板，如下：

GS2971-SDI解码芯片解读

本设计采用GS2971芯片解码SDI，GS2971不需要软件配置，硬件电阻上下拉即可完成配置，本设计配置为输出BT1120格式视频，当然，你在设计电路时也可以配置为输出CEA861格式视频；GS2971硬件架构如下，提供PDF格式原理图：

BT1120转RGB888

BT1120转RGB模块的作用是将SMPTE SD/HD/3G SDI IP核解码输出的BT1120视频转换为RGB888视频，它由BT1120转CEA861模块、YUV422转YUV444模块、YUV444转RGB888三个模块组成，该方案参考了Xilinx官方的设计；BT1120转RGB模块代码架构如下：

图像缓存

图像缓存方案采用自研的FDMA图像缓存架构，缓存介质为DDR3/4；FDMA图像缓存架构由FDMA、FDMA控制器、缓存帧选择器构成；图像缓存使用Xilinx vivado的Block Design设计，如下图：

关于FDMA更详细的介绍，请参考我之前的博客，博文链接如下：
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FT601-USB3.0芯片解读

FT600/601Q 的技术参数如下：
FT600&601Q 芯片是 FT 最新推出的 USB3.0 to FIFO interface IC，实现 USB3.0 与 16/32bit 并行 IO 接口之间的数据传输；整个 USB 通信协议全部由芯片驱动自行完成，开发者无须考虑 USB 底层固件的编程。
–>兼容支持 USB3.0（5Gbps）,向下兼容 USB2.0（480Mbps and 12Mbps）传输；
–>高达 8 个可配置 Endpoint. >>支持 2 种 FIFO 传输协议，最大传输可达 400MB/s；
–>芯片内部有 16K 字节的缓冲区，可以进行数据的大吞吐量操作；
–>支持远程唤醒功能；
–>芯片支持多种 IO 电压：1.8V,2.5V.3.3V；
–>通过 16bit D[O：15]或 32bit D[0:31]并行数据线和读写状态／控制线 RXF、TXE、RD、WR，加上时钟 CLK，使能 OE 信号线就可实现与 CPU/FPGA 的数据交换；
–>该芯片内部集成 1.0V LDO,可提供给芯片核心部分使用；
–>工业级芯片，工作温度范围-40 to 85℃；
FT601芯片框架如下：

FT601外围电路设计参考如下：

FT601支持的多种传输模式，其中 245 Synchronous FIFO 模式和 Multi-Channel FIFO 模式是最常用的模式，本工程配置为 245 Synchronous FIFO 模式；传输模式通过GPIO引脚高低电平配置，配置真值表如下：

FT601读时序解读：
FT601的245 Synchronous FIFO 模式读时序如下：

RXF_N为读数据状态信号，RXF_N为低电平期间FPGA可以读取FT601数据；
检测到RXF_N低电平后，拉低OE_N和RD_N，然后开始读数据；
检测到RXF_N高电平后，拉高OE_N和RD_N，然后退出读数据状态；

FT601写时序解读：
FT601的245 Synchronous FIFO 模式写时序如下：

TXF_N为读数据状态信号，RXF_N为低电平期间FPGA向FT601写入数据；
检测到TXF_N低电平后，拉低WR_N，然后开始向FT601写入数据；
检测到TXF_N高电平后，拉高WR_N，然后退出写数据状态；

FT601-USB3.0读写逻辑

根据FT601读写时序，设计了数据读写状态机，一共分为三个状态，分别为初始状态、读数据状态、写数据状态；状态机的触发由PC端的QT上位机开启；在PC端QT上位机控制下，FT601读写逻辑产生从DDR3中读取视频的控制信号，并将读出的视频通过FT601写数据总线发送到板载的FT601芯片；PC端的QT上位机调用FT601驱动的API实现图像读取并显示视频；顶层代码接口如下：

QT上位机

QT开发环境为QT上位机本方案使用 VS2015 + Qt 5.12.10；QT上位机实现发起FT601的读写操作，QT上位机调用FT601驱动的API实现图像读取并显示视频；QT上位机运行如下：

工程源码架构

本博客提供4套工程源码，以工程源码1为例，vivado Block Design设计如下，其他工程与之类似，Block Design设计为图像缓存架构的部分：

本博客提供4套Vivado工程源码，以工程源码1为例，综合后的代码架构如下，其他工程与之类似：

对于Zynq的工程，FDMA图像缓存架构虽然不需要SDK配置，但FDMA的AXI4接口时钟由Zynq提供，所以需要运行SDK程序才能启动Zynq，从而为PL端逻辑提供时钟；由于不需要SDK配置，所以SDK软件代码就变得极度简单，只需运行一个“Hello World”即可，如下：

QT代码如下：

4、工程源码1详解–>Kintex7–35T版本

开发板FPGA型号：Xilinx–Kintex7–35T–xc7k325tffg900-2；
FPGA开发环境：Vivado2019.1；
QT开发环境：VS2015 + Qt 5.12.10；
输入：3G-SDI相机或HDMI转SDI盒子，分辨率1920x1080@60Hz；
输出：USB3.0，分辨率1920x1080@60Hz；
SDI视频解码方案：GS2971芯片方案；
USB3.0图传方案：FT601芯片方案；
缓存方案：自研FDMA方案；
缓存介质：DDR3；
实现功能：FPGA实现SDI视频接收转USB3.0传输；
工程作用：此工程目的是让读者掌握FPGA实现SDI视频接收转USB3.0传输的设计能力，以便能够移植和设计自己的项目；
工程Block Design和工程代码架构请参考第3章节的《工程源码架构》小节内容；
工程的资源消耗和功耗如下：

5、工程源码2详解–>Zynq7100版本

开发板FPGA型号：Xilinx–Zynq7100–xc7z100ffg900-2；
FPGA开发环境：Vivado2019.1；
QT开发环境：VS2015 + Qt 5.12.10；
输入：3G-SDI相机或HDMI转SDI盒子，分辨率1920x1080@60Hz；
输出：USB3.0，分辨率1920x1080@60Hz；
SDI视频解码方案：GS2971芯片方案；
USB3.0图传方案：FT601芯片方案；
缓存方案：自研FDMA方案；
缓存介质：DDR3；
实现功能：FPGA实现SDI视频接收转USB3.0传输；
工程作用：此工程目的是让读者掌握FPGA实现SDI视频接收转USB3.0传输的设计能力，以便能够移植和设计自己的项目；
工程Block Design和工程代码架构请参考第3章节的《工程源码架构》小节内容；
工程的资源消耗和功耗如下：

6、工程源码3详解–>KU040版本

开发板FPGA型号：Xilinx–Kintex UltraScale–xcku040-ffva1156-2-i；
FPGA开发环境：Vivado2019.1；
QT开发环境：VS2015 + Qt 5.12.10；
输入：3G-SDI相机或HDMI转SDI盒子，分辨率1920x1080@60Hz；
输出：USB3.0，分辨率1920x1080@60Hz；
SDI视频解码方案：GS2971芯片方案；
USB3.0图传方案：FT601芯片方案；
缓存方案：自研FDMA方案；
缓存介质：DDR4；
实现功能：FPGA实现SDI视频接收转USB3.0传输；
工程作用：此工程目的是让读者掌握FPGA实现SDI视频接收转USB3.0传输的设计能力，以便能够移植和设计自己的项目；
工程Block Design和工程代码架构请参考第3章节的《工程源码架构》小节内容；
工程的资源消耗和功耗如下：

7、工程源码4详解–>KU060版本

开发板FPGA型号：Xilinx–Kintex UltraScale–xcku060-ffva1156-2-i；
FPGA开发环境：Vivado2019.1；
QT开发环境：VS2015 + Qt 5.12.10；
输入：3G-SDI相机或HDMI转SDI盒子，分辨率1920x1080@60Hz；
输出：USB3.0，分辨率1920x1080@60Hz；
SDI视频解码方案：GS2971芯片方案；
USB3.0图传方案：FT601芯片方案；
缓存方案：自研FDMA方案；
缓存介质：DDR4；
实现功能：FPGA实现SDI视频接收转USB3.0传输；
工程作用：此工程目的是让读者掌握FPGA实现SDI视频接收转USB3.0传输的设计能力，以便能够移植和设计自己的项目；
工程Block Design和工程代码架构请参考第3章节的《工程源码架构》小节内容；
工程的资源消耗和功耗如下：

8、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；

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：

FPGA型号不一致处理

如果你的FPGA型号与我的不一致，则需要更改FPGA型号，操作如下：



更改FPGA型号后还需要升级IP，升级IP的方法前面已经讲述了；

其他注意事项

1：由于每个板子的DDR不一定完全一样，所以MIG IP需要根据你自己的原理图进行配置，甚至可以直接删掉我这里原工程的MIG并重新添加IP，重新配置；
2：根据你自己的原理图修改引脚约束，在xdc文件中修改即可；
3：纯FPGA移植到Zynq需要在工程中添加zynq软核；

9、上板调试验证

准备工作

需要准备的器材如下：
FPGA开发板；
SDI相机或者HDMI转SDI盒子；
FT601转接板（FPGA开发板板载FT601除外）；
笔记本电脑或者PC主机；
USB3.0数据线；
我的开发板连接如下：

FT601驱动安装

注意：驱动只需要安装一次即可；
首先下载bit到FPGA开发板，如下：

然后打开PC端–>我的电脑–>管理–>设备管理器，可以看到FT601设备已经识别，如下：

如果你已经下载了FT601驱动文件，但没有安装，则有的电脑会自动寻找驱动并自定安装，所以等待大约1分钟后，电脑自动帮我们装好了FT601驱动，如下：

如果你的电脑不能自动寻找驱动并安装，请手动安装驱动，如下：

输出视频演示

首先打开QT上位机，位置如下：

打开QT界面如下，需要将显示分辨率设置为1920x1080：

以工程源码2为例，动态输出如下：

10、福利：工程代码的获取

福利：工程代码的获取
代码太大，无法邮箱发送，以某度网盘链接方式发送，
资料获取方式：私，或者文章末尾的V名片。
网盘资料如下：

此外，有很多朋友给本博主提了很多意见和建议，希望能丰富服务内容和选项，因为不同朋友的需求不一样，所以本博主还提供以下服务：