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手把手构建基于VDMA的摄像头视频采集系统：从硬件架构到代码实战

你有没有遇到过这样的场景？在Zynq平台上接了一个1080p@60fps的摄像头，结果用CPU轮询读数据，帧率卡得像幻灯片，还占了大半CPU资源。更糟的是，图像时不时撕裂、丢帧——这说明你的数据搬运方式已经“过载”了。

要解决这个问题，必须跳出传统思维，让硬件来干它该干的事。这就是我们今天要深入探讨的主题：如何利用Xilinx VDMA（Video Direct Memory Access）实现零CPU干预的高效视频采集。

我们将从一个真实项目出发，不讲空概念，只谈实操。从FPGA逻辑设计、内存分配策略，到SDK驱动编写和中断处理，一步步带你搭建完整的视频采集链路。无论你是做工业检测、医疗成像还是智能监控，这套架构都能直接复用。

为什么传统方法撑不住高清视频流？

先来看一组数据：

• 1080p @ 60fps RGB888 视频流带宽需求：
  $$
  1920 \times 1080 \times 3\, \text{bytes/pixel} \times 60\, \text{fps} = 373.2\, \text{MB/s}
  $$

这相当于每秒传输近400张1MB大小的图片。如果靠CPU一个个字节去读IO口，哪怕是Cortex-A9也扛不住。即使使用普通DMA，面对持续不断的视频流，依然可能因缓冲管理不当导致丢帧。

而VDMA的不同之处在于：它是专为视频设计的DMA控制器，天生支持帧结构、同步信号解析、多缓冲轮换和AXI4-Stream接口。一句话总结：它知道什么是“一帧”，也知道什么时候该切到下一帧。

VDMA到底强在哪？核心机制拆解

它不是通用DMA，而是“懂视频”的搬运工

VDMA（axi_vdmaIP核）最大的特点就是理解二维图像的时空特性。它不像普通DMA那样只管“搬多少字节”，而是能识别：

• 每行有多少像素（HoriSize）
• 一共多少行（VertSize）
• 行与行之间的跨度（Stride）
• 是否启用场同步（VSYNC作为帧边界）

这些能力让它可以精准地将视频流写入DDR中的“矩形区域”，而不是简单的一维数组。

📌 小知识：VDMA内部维护着一套“帧状态机”，自动跟踪当前正在写的帧编号，并在EOF（End of Frame）时触发中断或切换地址。

双通道独立运行：采集 + 显示一体化

VDMA支持两个独立通道：

这意味着你可以一边用S2MM采集新帧，一边用MM2S把旧帧送到HDMI输出，完全并行，互不干扰。

系统架构怎么搭？一张图说清楚

[CMOS Sensor] ↓ (PCLK/DATA/HSYNC/VSYNC) [PL Logic: IO & Sync Extract] → [AXI Interconnect] ↓ [AXI VDMA (S2MM Write Channel)] ↓ [DDR3: Frame Buffer 0 / 1 / 2 ...] ↑ [AXI VDMA (MM2S Read Channel)] → HDMI TX ↓ [PS Cortex-A Core: App Processing]

这个架构的关键点是：数据通路全程硬件化，CPU只参与初始化和事件响应。

• PL侧负责高速采集和协议转换；
• VDMA完成内存搬运；
• PS端专注算法处理，比如目标检测、编码压缩等；

真正实现了“各司其职”。

实战第一步：配置VDMA写通道（S2MM）

下面这段代码是你在SDK中必须掌握的核心流程。我们以采集1080p RGB888为例，配置双缓冲模式。

#include "xaxivdma.h" #include "xparameters.h" XAxiVdma vdma_inst; int setup_vdma_capture(u32 width, u32 height, u32 *buffer_addr) { int status; XAxiVdma_DmaSetup write_cfg = {0}; // 1. 获取VDMA设备配置 XAxiVdma_Config *config = XAxiVdma_LookupConfig(XPAR_AXIVDMA_0_DEVICE_ID); if (!config) return XST_FAILURE; status = XAxiVdma_CfgInitialize(&vdma_inst, config, config->BaseAddress); if (status != XST_SUCCESS) return XST_FAILURE; // 2. 设置写通道参数 write_cfg.VertSizeInput = height; // 帧高：1080 write_cfg.HoriSizeInput = width * 3; // 每行字节数：1920×3=5760 write_cfg.Stride = width * 3; // 行跨度（对齐后可相同） write_cfg.EnableCircularBuf = 1; // 启用循环缓冲 write_cfg.EnableSync = 1; // 使用外部VSYNC同步 write_cfg.PointNum = 1; // 双缓冲（2个buffer） write_cfg.FrameStoreStartAddr[0] = buffer_addr[0]; // Buffer 0 物理地址 write_cfg.FrameStoreStartAddr[1] = buffer_addr[1]; // Buffer 1 物理地址 // 3. 应用配置 status = XAxiVdma_DmaConfig(&vdma_inst, XAXIVDMA_WRITE, &write_cfg); if (status != XST_SUCCESS) return XST_FAILURE; status = XAxiVdma_DmaSetBufferAddr(&vdma_inst, XAXIVDMA_WRITE, buffer_addr); if (status != XST_SUCCESS) return XST_FAILURE; // 4. 启动通道 status = XAxiVdma_DmaStart(&vdma_inst, XAXIVDMA_WRITE); if (status != XST_SUCCESS) return XST_FAILURE; return XST_SUCCESS; }

✅ 关键提示：

• buffer_addr必须是物理地址，且内存区域不能被操作系统占用；
• 若使用Linux UIO驱动，需通过/dev/uio映射；
• 裸机环境下可用Xil_Memalign(0x1000, size)分配对齐内存；

中断来了怎么办？别再轮询了！

很多人一开始喜欢用轮询判断是否收到一帧，其实完全没必要。VDMA提供了完善的中断机制：

void vdma_write_isr(void *callback_ref) { XAxiVdma *inst = (XAxiVdma *)callback_ref; u32 irq_status; // 读取中断状态 irq_status = XAxiVdma_GetDmaChannelIrq(inst, XAXIVDMA_WRITE); // 清除中断标志 XAxiVdma_ClearDmaChannelIrq(inst, XAXIVDMA_WRITE, irq_status); if (irq_status & XAXIVDMA_IXR_EOF_MASK) { // EOF中断：一帧已写完！ process_latest_frame(); // 启动图像处理任务 } if (irq_status & XAXIVDMA_IXR_ERROR_MASK) { // 出错了！常见于总线超时或帧失步 XAxiVdma_Reset(&vdma_inst, XAXIVDMA_WRITE); usleep(1000); setup_vdma_capture(1920, 1080, frame_buffers_phys); } }

注册这个ISR后，CPU就可以安心睡觉了，等到“敲门声”响起再干活。

PL侧怎么对接？别小看这几个信号

很多初学者以为VDMA只要连上就行，其实前端逻辑至关重要。假设你用的是并行接口CMOS传感器（如OV5640、IMX219），你需要在FPGA里实现以下模块：

module video_in_bridge ( input pclk, input hsync, input vsync, input [23:0] data_in, output m_axis_tvalid, output [23:0] m_axis_tdata, output m_axis_tlast, input m_axis_tready, output reg fifo_empty, output reg fifo_full ); reg [23:0] pixel_reg; wire sof = vsync_rising_edge && hsync_rising_edge; // 同步FIFO跨时钟域 axis_async_fifo fifo_inst ( .s_axis_aresetn(rstn), .s_axis_aclk(pclk), .s_axis_tvalid(data_valid), .s_axis_tdata({hsync, vsync, data_in}), .s_axis_tready(), .m_axis_aclk(axi_clk), .m_axis_tvalid(m_axis_tvalid), .m_axis_tdata(m_axis_tdata), .m_axis_tlast(m_axis_tlast), .m_axis_tready(m_axis_tready) ); // 生成tlast：每行最后一个有效像素 assign m_axis_tlast = (current_pixel_count == WIDTH - 1) && m_axis_tvalid; endmodule

关键点：

• PCLK异步于系统时钟→ 必须加异步FIFO；
• tlast信号必须准确→ 标记每一行结束；
• tvalid/tready握手机制→ 防止背压导致数据丢失；

否则VDMA会因为“收不到完整一行”而报错甚至停机。

内存怎么管？双缓冲实战技巧

双缓冲不是随便分两块内存就行，这里有三个坑：

❌ 错误做法1：栈上定义数组

u8 buf[2][1920*1080*3]; // 危险！可能不在连续物理内存

✅ 正确做法：静态分配+对齐

#define FRAME_SZ (1920 * 1080 * 3) u8 __attribute__((aligned(64))) fb0[FRAME_SZ] __attribute__((section(".ddr"))); u8 __attribute__((aligned(64))) fb1[FRAME_SZ] __attribute__((section(".ddr"))); u32 buffer_phys[2] = { 0x18000000, // 假设DDR起始地址 0x185A0000 // 第二个buffer偏移约5.7MB };

同时记得关闭缓存影响：

// CPU读前无效化cache Xil_DCacheInvalidateRange((u32)fb0, FRAME_SZ); Xil_DCacheInvalidateRange((u32)fb1, FRAME_SZ); // 写回后刷新 Xil_DCacheFlushRange((u32)processed_img, sz);

实测性能表现：真的能做到无丢帧吗？

我们在Zynq-7000 XC7Z020平台上实测：

关键优化点：

• AXI HP端口配置为64位@100MHz，理论带宽5.3GB/s；
• 开启ACE（AXI Coherency Extensions），减少cache操作开销；
• 使用OCD调试工具监测current_register_address寄存器，确认帧切换正常；

常见问题与避坑指南

⚠️ 问题1：画面花屏或偏移

原因：Stride设置错误或tlast生成不准
解决方案：确保HoriSizeInput == Stride，且每行最后一拍拉高tlast

⚠️ 问题2：VDMA启动失败或立即停止

原因：未正确清除中断状态或地址非法
查法：

printf("Err Reg: 0x%x\n", XAxiVdma_ReadReg(vdma_inst.BaseAddress, 0x34));

若返回0x8表示Frame Count Error，检查缓冲数量配置。

⚠️ 问题3：CPU读到旧数据

原因：Cache未失效
解决：每次处理前调用Xil_DCacheInvalidateRange()

能不能扩展？当然可以！

这套架构极具延展性：

• 多路采集：每个摄像头独占一个VDMA实例，共享DDR；
• 接入AI流水线：捕获帧 → VDMA写入 → 启动DMA to FPGA加速器（如DPU）；
• HDMI环出：启用MM2S通道，直连HDMI IP核；
• Linux平台移植：配合videobuf2-dma-contig和UIO驱动，在用户空间控制VDMA；

甚至可以结合GStreamer打造嵌入式视觉管道：

v4l2src ! vvas_xvcap ! vvas_xfilter(plugin=dpu_task) ! fpsdisplaysink

底层依旧是VDMA在默默搬运数据。

如果你正在做一个需要稳定采集高清视频的项目，不要再用手动搬运的方式折磨CPU了。把数据流交给VDMA，把控制权留给自己。

这套方案已经在工业相机、内窥镜、无人机图传等多个产品中验证过可行性。它的价值不仅在于性能，更在于提供了一种清晰的软硬协同设计范式：PS管逻辑，PL管数据，各安其位，高效协作。

你现在完全可以基于这篇文章提供的代码框架，快速启动自己的视频采集项目。如果有具体型号的摄像头对接问题，欢迎留言讨论——毕竟每一个上升沿都值得被认真对待。