基于T630高速接口芯片的4K超高清音视频应用方案

摘要          

伴随国产芯片替代浪潮，以及最近进口FPGA芯片价格飞涨，市场上越来越需要一款全国产USB3.0+FPGA方案来满足商务平衡及特色功能开发的需求。方寸微电子自主研发的T630国产USB3.0高速接口芯片具有功能丰富、性能强劲、扩展性强等特点，可完美适配视频采集卡、视频会议摄像头等众多电子产品，尤其针对音视频采集提供了源码级方案支撑，可帮助客户缩短产品开发周期、降低整体开发成本，提升产品市场竞争力。

0. 背景介绍

前些年的USB3.0音视频采集卡方案基本用CYUSB3014等国外主控芯片来实现，随着这几年直播行业的火爆，性能及功能需求也越来越多。同时伴随国产芯片替代浪潮，以及最近进口FPGA芯片价格飞涨，市场上越来越需要一款全国产USB3.0+FPGA方案来满足商务平衡及特色功能开发的需求。

1. T630国产USB3.0高速接口芯片介绍

1.1 芯片基本信息介绍

机器视觉需要实时传输海量数据，因此行业发展离不开高速接口控制器的助力，T630芯片是方寸微电子自主研发的纯国产USB3.0超高速控制器，具有功能丰富、性能强劲、扩展性强等特点，可广泛适用于视频采集卡、工业采集卡、打印机、扫描仪、数字摄像机、测量采集设备等众多电子产品。

该芯片集成国产32位高性能RISC CPU，支持USB3.0、MUXIO、I2C、SPI、UART等多种接口，可快速在嵌入式主板上与FPGA/CPU进行对接通讯，作为USB3.0外扩芯片与PC或者服务器实现数据传输。值得一提的是，T630高速接口芯片的传输性能比业界标杆提升20%，而性价比优于业界标杆30%，打破了欧美厂商垄断十年的市场。

T630芯片外观

（10mmx10mm，BGA封装，工业级）

1.2 芯片内部架构

1.3 T630核心价值：

自主可控纯国产化，打破欧美长期垄断

工业级温度范围，大规模商用量产

本土化高效支持，大客户定制服务

持续成本优化，可靠供应保障

1.4 芯片产品特点

系统资源

集成32位国产CPU CK803S；最高工作频率200MHz

CK803S内置16KB I/D Cache，内置32KB DTCM

32KB ROM；256KB SRAM；8KB SRAM（系统专用）512KB/1MB片内Flash

通信接口

支持1路USB3.0 Device，接口速率5Gbps，向下兼容USB2.0/USB1.1，支持控制/批量/中断/等时传输类型

MUXIO接口支持最大32位数据位宽，最高120MHz接口频率，支持FIFO Slave、FIFO Master、SRAM Master、ADMUX Master四种工作模式

I2C接口支持Standard, Fast and Fast+ modes；支持HS-mode；支持主从模式

UART接口完全兼容高速NS 16C550A UART；最高波特率为3Mbit/s；集成32bytes TX/RX FIFO

SPI接口支持主从模式；支持中断和查询模式

其他资源

内置硬件DMA

内置POR（Power on Reset）电路

内置8个定时器

内置中断控制器

内置1个看门狗

封装形式：BGA121

封装尺寸：10.0mm*10.0mm*0.8mm

T630开发评估板

（欢迎通过方寸官网官微申请试用）

2. T630高速接口芯片

4K超高清音视频采集应用方案

2.1 方案基本信息介绍

本方案是方寸微电子主导开发的一款USB3.0，集4KP30视频、音频输入采集+音频输出等功能，且自主可控的国产芯片替代方案。由方寸T630（USB3），国产FPGA、HDMI RX、声音Codec等芯片组成，整体框图如下图所示。

Codec：转换数字，模拟声音信号

RX：HDMI输入的视频格式转换为TTL信号

FPGA：采集RX输出的音视频信号,并UVC/UAC组包发送到T630

T630：负责UVC/UAC协议数据传输及设备枚举及握手控制

基本功能：

USB3.0/2.0 Device双模式

符合UVC1.0+UAC1.0协议

HDMI 1.4b标准输入，UVC视频设备最大支持3840*2160@30Hz输出

设备枚举支持YUY2、RGB24、NV12等格式的24种不同分辨率，支持增删

音频2路输入(RX+MIC)+1路输出(Headphone),48000 16位采样

Windows、Android、Linux、MacOS等系统兼容，适配系统相机、skype、钉钉等APP

上位机在线升级设备固件功能

2.2 数据处理流程

如上图示，本数据通路中USB Device为T630前端，与Host建立物理连接，主要完成UVC协议的交互处理及数据上下行传输；Muxio负责FPGA端数据的接收及下发，32位并行总线,最高工作频率120 MHz，类似GPIF总线，差别主要有ep通道表达不同，T630 DMA模式分高、低速模式。低速模式数据缓冲在SRAM，而高速模式缓冲DTCM中，分别适合用来传输音视频数据。

如果要完成4KP30音视频数据的传输，对MUXIO的带宽要求是很高的，实际验证完全满足NV12 4KP3的要求。下面是T630 4通道批量传输模式下的吞吐量测试：

由上图可以看出，每秒最高传输速率：411.55MB/S，每秒平均传输速率：410.88MB/S，每秒最低传输速率：405.13MB/S。以上通过7*24小时稳定性测试。

2.3 演示概况

USB线插入主机后,设备管理器里会枚举识别到如上1个相机设备+3个音频设备。

在potplayer的摄像头设备格式栏里列举了支持的视频格式及分辨率。

在OBS里的视频、音频采集设置栏里也会显示设备支持的视频格式及分辨率等属性。

3. 结语

本文主要介绍了T630高速USB3.0接口芯片在4K超高清音视频采集中的应用及其数据处理流程等，以满足市场上对全国产USB3.0+FPGA方案的需求。方寸微电子将始终坚持以市场为龙头，以人才为根本，以开发自主知识产权的集成电路芯片为基础，持续创新，依靠技术优势，不断提升产品品质，为客户创造更多价值，助力机器视觉和自动化产业高速发展。