FPGA活用回路＆サンプル記述集(3) ―― ビデオ信号処理回路

事例2．4ライン構成のライン・バッファ

大中 庸生
外部回路

• 回路図：なし
• 主要部品：なし

• Verilog HDL：リスト2-1，本誌Webページからダウンロード
• 外部入力：なし
• 外部出力：なし
• 内部入力：RESET，WA，WEN，WCK，WD，RA，REN，RCK
• 内部出力：RD0，RD1，RD2
• パラメータ：なし

• Altera社，Quartus II

　バッファ（Buffer）を英和辞書的にいえば「緩衝物」，「緩衝器」となるようです．こん包材に例えれば，気泡緩衝シートの役割を果たすものです．つまり，生活リズムなどが異なる二人の間に挟まって，「まあまあ」とやってくれる苦労人のことだと想像すれば，1歩そのイメージに近づいたような気がしてきます．

　電子機器の世界においても，入力機器と出力機器というのは，そのままでは結構仲が悪いことが多いものです．ですから，機器の内外のどこかに，何らかの調停役，つまりバッファが入っているものです．

　画像処理の世界でも，ある処理系から別の処理系へデータを受け渡そうとすると，両者が，嫌になるほど勝手なことを主張して，1歩も譲らず，困ってしまうことがよく起こります．こういうときに，頼りになるのがバッファです．

　仲の悪い二人は，直接顔をあわせるのを避ける，つまりA氏からB氏へ直接荷物（データ）を手渡さないのが上策です．そのための方策の一つとしては，A氏が荷物をいったん倉庫に収めておき，時間帯をずらしてB氏が取りに来るということが考えられます．そうしておけば，A氏の荷物の渡し方，速さ，手順，方向性，時間帯など，たとえそれがB氏の気に入らないことだらけであったとしても，B氏はB氏で，自分のペースで荷物を受け取って帰れます（図2-1）．この場合，倉庫がバッファの役割を果たしたわけですが，電子デバイスにおける「倉庫」といえば，もう，なんといっても「メモリ」でしょう．

図2-1　すれちがう二人...バッファの役割は大きい

● ビデオのライン・バッファとフレーム・バッファ

　ラスタ・スキャンを行うディスプレイ（CRTテレビなど）における画像バッファとしては，どの範囲でメモリに一時蓄積するかによって，ライン・バッファとフレーム・バッファが用意されます．

　ライン・バッファは1本以上のビデオ・ラインを一時蓄積する倉庫の働きをします．一方，フレーム・バッファは1枚以上のビデオ・フレームを一時蓄積する倉庫の働きをします．それぞれの特徴は，下記の通りです．

　ライン・バッファの特徴は，

• フレーム・バッファに比べてメモリ容量が小さい．従って高速なメモリを使用できる．
• 垂直方向の蓄積能力が限られているため，ラインをまたぐ縦の調停は苦手．入力側と出力側で垂直同期は確保しておく必要がある．

　フレーム・バッファの特徴は，

• 十分な容量を持つメモリ・デバイスが必要．
• 1枚以上のフレームを蓄積できるので，全く異なるビデオ・タイミングの入出力を調停できる．

● FPGAの内部メモリによるライン・バッファ

　近年では，比較的低価格のFPGAデバイスにもライン・バッファとして十分な容量のメモリが内蔵されています．FPGAの内部メモリを使用したライン・バッファ・システムで事足りると，外部のメモリ・デバイスが不要となり，コスト・ダウンできます．また，外部メモリが不要ということは，FPGAの使用ピン数を削減でき，これも大きなコスト・ダウン要因となります．

　FPGAの内部メモリは容量もさることながら，独立にアクセスできるブロック数が多いため，何系統ものライン・バッファを随所に設けることも可能です．