MICROCHIP H.264 4K I-フレーム エンコーダ IP コア

導入
H.264は、デジタルビデオを圧縮するための一般的なビデオ圧縮規格です。MPEG-4 Part10またはAdvanced Video Coding (MPEG-4 AVC)とも呼ばれます。H.264は、ブロックサイズが16 x 16と定義され、そのようなブロックがマクロブロックと呼ばれるブロック単位のアプローチを使用してビデオを圧縮します。圧縮規格は、さまざまなプロをサポートしています。file圧縮率と実装の複雑さを定義する 4 つの要素があります。圧縮されるビデオ フレームは、I フレーム、P フレーム、B フレームとして扱われます。I フレームはフレーム内に含まれる情報を使用して圧縮が行われるフレーム内符号化フレームです。I フレームをデコードするために他のフレームは必要ありません。P フレームは、I フレームまたは P フレームのいずれかの前のフレームに対する変更を使用して圧縮されます。B フレームの圧縮は、前のフレームと次のフレームの両方に対するモーションの変更を使用して行われます。I フレームの圧縮プロセスには 4 つの要素があります。tages—イントラ予測、整数変換、量子化、エントロピー符号化。H.264は、コンテキスト適応型可変長符号化(CAVLC)とコンテキスト適応型バイナリ算術符号化(CABAC)のXNUMX種類の符号化をサポートしています。IPの現在のバージョンは、ベースラインプロを実装しています。file エントロピー エンコーディングには CAVLC を使用します。また、IP は 4K 解像度までの I フレームのエンコーディングのみをサポートします。
特徴
H.264 I-Frame エンコーダーは次の主要な機能をサポートしています。
- YCbCr 420ビデオフォーマットの圧縮を実装
- YCbCr 422ビデオフォーマットでの入力を期待します
- 各コンポーネント(Y、Cb、Cr)ごとに8ビットをサポート
- ITU-T H.264 Annex B準拠のNALバイトストリーム出力をサポート
- スタンドアロン操作、CPU、またはプロセッサの支援は不要
- 実行時にユーザーが設定可能な品質係数 QP
- 1クロックあたりXNUMXピクセルの速度で計算
- 4K(3840×2160)60fpsまでの圧縮をサポート
- 最小遅延(フルHDまたは252水平ラインで17μs)
- 2スライスと4スライスをサポート
サポートされている家族
H.264 4K I-Frame エンコーダーは次のファミリをサポートしています。
- PolarFire®SoCFPGA
- PolarFire FPGA
ハードウェアの実装
次の図は、H.264 4K I-Frame エンコーダー IP ブロック図を示しています。
図1-1. H.264 4K I-フレーム エンコーダ IP ブロック図
入力と出力
次の表は、H.264 4K I-Frame エンコーダ IP の入力ポートと出力ポートを示しています。
表1-1. H.264 4K I-フレーム エンコーダ IP の入力ポートと出力ポート
| 信号名 | 方向 | 幅 | 説明 |
| RESET_N | 入力 | 1 | デザインへのアクティブロー非同期リセット信号。 |
| PIX_CLK_I | 入力 | 1 | 着信ピクセルがsである入力クロックamp導いた。 |
| DDR_CLK_I | 入力 | 1 | DDR メモリ コントローラからのクロック。 |
| HRES_I | 入力 | 16 | 入力画像の水平解像度。 16の倍数である必要があります。 |
| VRES_I | 入力 | 16 | 入力画像の垂直解像度。 16の倍数である必要があります。 |
| QP_I | 入力 | 6 | H.264 量子化の品質係数。値の範囲は 0 ~ 51 で、0 は最高品質と最低圧縮を表し、51 は最高圧縮を表します。 |
| データ0_O | 出力 | 16 | NAL ユニット、スライス ヘッダー、SPS、PPS、およびマクロ ブロックのエンコードされたデータを含む H.264 Slice0 エンコードされたデータ出力。 |
| データ有効0_O | 出力 | 1 | Slice0 エンコードされたデータが有効であることを示す信号。 |
| データ1_O | 出力 | 16 | スライス ヘッダーとマクロ ブロックのエンコードされたデータを含む H.264 スライス 1 エンコードされたデータ出力。 |
| データ有効1_O | 出力 | 1 | Slice1 エンコードされたデータが有効であることを示す信号。 |
| データ2_O | 出力 | 16 | スライス ヘッダーとマクロ ブロックのエンコードされたデータを含む H.264 スライス 2 エンコードされたデータ出力。 |
| データ有効2_O | 出力 | 1 | Slice2 エンコードされたデータが有効であることを示す信号。 |
| …………続き | |||
| 信号名 | 方向 | 幅 | 説明 |
| データ3_O | 出力 | 16 | スライス ヘッダーとマクロ ブロックのエンコードされたデータを含む H.264 スライス 3 エンコードされたデータ出力。 |
| データ有効3_O | 出力 | 1 | Slice3 エンコードされたデータが有効であることを示す信号。 |
| DDR_LINE_GAP_I | 入力 | 16 | DDR メモリ内の入力画像の水平ライン間のラインギャップ。 |
| フレーム開始アドレス | 入力 | 7/8 | DDR フレーム バッファ アドレス。フレーム ギャップが 7 MB に設定されている場合は 32 ビット。フレーム ギャップが 8 MB に設定されている場合は 16 ビット。 |
| フレーム_END_O | 出力 | 1 | フレームの H.264 ビット ストリームの終了。 |
| チャネル 0 アービター インターフェース ポートの読み取り | |||
| RDATA0_I | 入力 | 入力データ幅 | アービターからデータを読み取る |
| RVALID0_I | 入力 | 1 | アービターから有効なデータを読み取る |
| すでに | 入力 | 1 | 仲裁人の承認 |
| バスユーザー0_I | 入力 | 1 | 読み取り完了 |
| アラド | 出力 | 32 | 読み取りを開始するDDRアドレス |
| ARVALID0_O | 出力 | 1 | アービターへの読み取り要求 |
| ARSIZE0_O | 出力 | 8 | 読み取りバーストサイズ |
| チャネル 1 アービター インターフェース ポートの読み取り | |||
| RDATA1_I | 入力 | 入力データ幅 | アービターからデータを読み取る |
| RVALID1_I | 入力 | 1 | アービターから有効なデータを読み取る |
| すでに | 入力 | 1 | 仲裁人の承認 |
| バスユーザー1_I | 入力 | 1 | 読み取り完了 |
| アラド | 出力 | 32 | 読み取りを開始するDDRアドレス |
| ARVALID1_O | 出力 | 1 | アービターへの読み取り要求 |
| ARSIZE1_O | 出力 | 8 | 読み取りバーストサイズ |
| チャネル 2 アービター インターフェース ポートの読み取り | |||
| RDATA2_I | 入力 | 入力データ幅 | アービターからデータを読み取る |
| RVALID2_I | 入力 | 1 | アービターから有効なデータを読み取る |
| すでに | 入力 | 1 | 仲裁人の承認 |
| バスユーザー2_I | 入力 | 1 | 読み取り完了 |
| アラド | 出力 | 32 | 読み取りを開始するDDRアドレス |
| ARVALID2_O | 出力 | 1 | アービターへの読み取り要求 |
| ARSIZE2_O | 出力 | 8 | 読み取りバーストサイズ |
| チャネル 3 アービター インターフェース ポートの読み取り | |||
| RDATA3_I | 入力 | 入力データ幅 | アービターからデータを読み取る |
| RVALID3_I | 入力 | 1 | アービターから有効なデータを読み取る |
| …………続き | |||
| 信号名 | 方向 | 幅 | 説明 |
| すでに | 入力 | 1 | 仲裁人の承認 |
| バスユーザー3_I | 入力 | 1 | 読み取り完了 |
| アラド | 出力 | 32 | 読み取りを開始するDDRアドレス |
| ARVALID3_O | 出力 | 1 | アービターへの読み取り要求 |
| ARSIZE3_O | 出力 | 8 | 読み取りバーストサイズ |
構成パラメータ
次の表は、H.264 4K I フレーム エンコーダーのハードウェア実装で使用される一般的な構成パラメータの説明を示しています。これらのパラメータは、アプリケーション要件に応じて異なる場合があります。
表1-2. H.264 4K Iフレームエンコーダー構成パラメータ
| 名前 | 説明 |
| 16x16_DC_INTRA_予測 | 16 x 16 イントラ DC 予測とともに 4 x 4 イントラ DC 予測を有効にするオプション。 |
| スライス数 | 2K を 4 fps でサポートするには 30 つのスライスを選択します。4K を 4 fps でサポートするには 60 つのスライスを選択します。 |
| DDR_AXI_データ幅 | ビデオ アービター IP に接続する必要がある読み取りチャネルのデータ幅を選択します。 |
| フレームギャップ | フレーム バッファ サイズを選択します。4K の場合は 32 MB を選択します。 |
IP コンフィギュレータ
次の図は、H.264 4K I-Frame エンコーダー IP コンフィギュレーターを示しています。
図1-2. IP設定
H.264 4K I-フレームエンコーダIPのハードウェア実装
H.264 4K I-フレーム エンコーダ IP は、各フレームを 2/4 スライスに分割し、スライス エンコーダを使用してエンコードします。DDR 読み取りロジックは、DDR メモリ内のフレーム データが YCbCr 422 形式であると想定します。DDR メモリ内のフレームの各水平ライン間のライン ギャップは、DDR_LINE_GAP_I 入力で指定する必要があります。IP は入力として 422 形式を使用し、420 形式で圧縮を実装します。Slice0 出力には、SPS および PPS ヘッダーも含まれます。すべてのスライス ビット ストリームは個別に提供されます。すべてのスライス ビット ストリームが組み合わされて、最終的な H.264 ビット ストリームになります。次の図は、H.264 4K I-フレーム エンコーダ IP のブロック図を示しています。
図1-3. H.264 4K I-フレーム エンコーダ IP ブロック図
次の図はスライス エンコーダのブロック図を示しています。
図1-4. スライスエンコーダブロック図
設計説明 スライスエンコーダ
このセクションでは、スライス エンコーダーのさまざまな内部モジュールについて説明します。
16 x 16 マトリックス フレーマー
このモジュールは、H.16 仕様に従って、Y コンポーネントの 16 x 264 マクロ ブロックをフレーム化します。ライン バッファーは、入力画像の 16 水平ラインを格納するために使用され、16 x 16 マトリックスはシフト レジスタを使用してフレーム化されます。
8 x 8 マトリックス フレーマー
このモジュールは、8 形式の H.8 仕様に従って、C コンポーネントの 264 x 420 マクロ ブロックをフレーム化します。ライン バッファーは、入力画像の 8 本の水平ラインを格納するために使用され、シフト レジスタを使用して 8 x 16 マトリックスがフレーム化されます。8 x 16 マトリックスから、Cb および Cr コンポーネントが分離され、各 8 x 8 マトリックスがフレーム化されます。
4 x 4 マトリックス フレーマー
整数変換、量子化、および CAVLC エンコーディングは、マクロブロック内の 4 x 4 サブブロックで実行されます。4 x 4 マトリックス フレーマは、4 x 4 または 16 x 16 マクロブロックから 8 x 8 サブブロックを生成します。このマトリックス ジェネレータは、次のマクロブロックに進む前に、マクロブロックのすべてのサブブロックを処理します。
イントラ予測
H.264 は、さまざまなイントラ予測モードを使用して、4 x 4 ブロックの情報量を削減します。IP のイントラ予測ブロックでは、4 x 4 または 16 x 16 DC 予測のみが使用されます。IP コンフィギュレータで 16 x 16 イントラ DC 予測が有効になっている場合、QP 値が 35 を超えると 16 x 16 が使用されます。DC コンポーネントは、隣接する上部と左の 4 x 4 または 16 x 16 ブロックから計算されます。
整数変換
H.264は、整数変換に乗算または除算がないように、係数が整数変換行列と量子化行列に分散される整数離散コサイン変換を使用します。 整数変換stageは、シフトおよび追加操作を使用して変換を実装します。
量子化
量子化は、整数変換の各出力をQPユーザー入力値で定義された所定の量子化値で乗算します。QP値の範囲は0から51です。51を超える値はclです。ampQP値が低いほど、圧縮率が低く、品質が高いことを示し、その逆も同様です。
CAVLC
H.264は、コンテキスト適応可変長コーディング(CAVLC)とコンテキスト適応バイナリ算術コーディング(CABAC)のXNUMX種類のエントロピーエンコーディングを使用します。 IPは、量子化された出力をエンコードするためにCAVLCを使用します。
ヘッダージェネレーター
ヘッダージェネレーターブロックは、ビデオフレームのインスタンスに応じて、ブロックヘッダー、スライスヘッダー、シーケンスパラメーターセット(SPS)、画像パラメーターセット(PPS)、およびネットワーク抽象化レイヤー(NAL)ユニットを生成します。
H.264ストリームジェネレーター
H.264ストリームジェネレータブロックは、CAVLC出力とヘッダーを組み合わせて、H.264標準形式に従ってエンコードされた出力を作成します。
テストベンチ
H.264 4K I-Frame エンコーダー IP の機能をチェックするためのテストベンチが提供されています。
シミュレーション
シミュレーションでは、YCbCr432形式の240 x 422画像をXNUMXつの files、YとCそれぞれを入力として264つのスライスを持つH.4を生成する file 2 つのフレームを含む形式。
次の手順では、テストベンチを使用してコアをシミュレートする方法について説明します。
- Libero® SoC カタログに移動 > View > Windows > カタログの順に展開し、ソリューション - ビデオを展開します。H264_4K_Iframe_Encoder をダブルクリックし、[OK] をクリックします。H264_4K_Iframe-Encoder IP が SmartDesign キャンバスに表示されます。
図2-1. Libero® SoC カタログの H.264 4K I-Frame エンコーダー IP コア
- に行く Files タブをクリックし、シミュレーション > インポートを選択します Files.
図2-2. 輸入 Files
- H264_sim_data_in_y.txt、H264_sim_data_in_c.txt、およびH264_refOut.txtをインポートします file次のパスから: ..\ \コンポーネント\マイクロセミ\ソリューションコア\ H264_4K_Iframe_エンコーダ\ \刺激。
- 別のものをインポートするには file、必要なものが含まれているフォルダを参照します file、[開く]をクリックします。 インポートされた file はシミュレーションの下にリストされています。次の図を参照してください。
図2-3. 輸入 Files
- [デザイン階層] タブに移動し、H264_4K_Iframe_Enc_C0 を右クリックして [ルートとして設定] を選択します。図 2-4. ルートとして設定

- 刺激階層タブに移動し、H264_4K_Iframe_Encoder_tb (H264_4K_Iframe_Encoder_tb.v) > 事前合成デザインのシミュレーション > インタラクティブに開くを選択します。IP は 2 フレームにわたってシミュレーションされます。図 5-XNUMX. 事前合成デザインのシミュレーション

- ModelSimがテストベンチで開きます file 次の図に示すように。
図2-6. ModelSim シミュレーション ウィンドウ
重要: .do ファイルで指定された実行時間制限によりシミュレーションが中断された場合 file、run-allコマンドを使用してシミュレーションを完了します。
ライセンス
- H.264 4K I-Frame エンコーダー IP は、ライセンスに基づいて暗号化された形式でのみ提供されます。
- 暗号化された RTL ソース コードはライセンス ロックされており、別途購入する必要があります。Libero 設計スイートを使用して、フィールド プログラマブル ゲート アレイ (FPGA) シリコンのシミュレーション、合成、レイアウト、およびプログラミングを実行できます。
- H.264 エンコーダーの機能を確認するために、評価ライセンスが無料で提供されます。評価ライセンスは、ハードウェアで XNUMX 時間使用すると期限切れになります。
インストール手順
- コアはLibero SoCソフトウェアにインストールする必要があります。これは、カタログ更新機能によって自動的に行われます。
- Libero SoCソフトウェア、またはCPZ file コアカタログの追加機能を使用して手動で追加できます。 CPZが file がLiberoにインストールされている場合、コアはSmartDesign内で構成、生成、およびインスタンス化して、Liberoプロジェクトに含めることができます。
- コアのインストール、ライセンス、および一般的な使用方法の詳細については、Libero SoC オンライン ヘルプを参照してください。
次の表に、asのリソース使用率を示します。ampPolarFire FPGA(MPF264TS-4FCG300Iパッケージ)用に作成されたH.1 1152K IフレームエンコーダIP設計は、4:2:2を使用して圧縮データを生成します。amp入力データのリング。
表5-1. H.264 4K I-フレーム エンコーダ IP のリソース使用率
| 要素 | 4スライス | 2スライス |
| 4LUT | 73588 | 37017 |
| DFF | 67543 | 33839 |
| LSRAM | 592 | 296 |
| マイクロSRAM | 84 | 42 |
| 数学ブロック | 89 | 45 |
| インターフェイス4入力LUT | 25524 | 12780 |
| インターフェイスDFF | 25524 | 12780 |
改訂履歴
改訂履歴表には、ドキュメントに実装された変更が記載されています。 変更は、最新の出版物から順に、リビジョンごとにリストされています。
表6-1. 改訂履歴
| リビジョン | 日付 | 説明 |
| A | 01/2023 | 初回リリース。 |
マイクロチップFPGAのサポート
マイクロチップFPGA製品グループは、カスタマーサービス、カスタマーテクニカルサポートセンター、 webマイクロチップのウェブサイト、および世界中の営業所でサポートを受けることができます。お客様は、サポートに連絡する前にマイクロチップのオンラインリソースにアクセスすることをお勧めします。質問に対する回答がすでに提供されている可能性が高いためです。 webサイト サポートFPGAデバイスの部品番号を記載し、適切なケースカテゴリを選択し、設計図をアップロードします。 files テクニカル サポート ケースの作成中。 製品の価格設定、製品のアップグレード、更新情報、注文ステータス、認証など、技術以外の製品サポートについては、カスタマー サービスにお問い合わせください。
- 北米からは800.262.1060にお電話ください
- 海外からは650.318.4460にお電話ください
- 世界中どこからでもファックス650.318.8044
マイクロチップ情報
マイクロチップ Webサイト
マイクロチップは、 webwww.microchip.com/ のサイト。 これ webサイトは file顧客が簡単に利用できる情報を提供します。 利用可能なコンテンツには次のようなものがあります。
- 製品サポート – データシートと正誤表、アプリケーションノートとampleプログラム、設計リソース、ユーザーガイド、ハードウェアサポートドキュメント、最新のソフトウェアリリース、アーカイブされたソフトウェア
- 一般的な技術サポート – よくある質問 (FAQ)、テクニカル サポート リクエスト、オンライン ディスカッション グループ、Microchip デザイン パートナー プログラム メンバー リスト
- マイクロチップの事業 – 製品セレクターと注文ガイド、最新のマイクロチップのプレスリリース、セミナーとイベントのリスト、マイクロチップの営業所、販売代理店、工場担当者のリスト
製品変更通知サービス
Microchip の製品変更通知サービスは、お客様が Microchip 製品を常に最新の状態に保つのに役立ちます。登録者は、特定の製品ファミリまたは関心のある開発ツールに関連する変更、更新、改訂、または正誤表があるたびに電子メール通知を受け取ります。
登録するには、 www.microchip.com/pcn。 登録の指示に従います。
カスタマーサポート
Microchip 製品のユーザーは、いくつかのチャネルを通じてサポートを受けることができます。
- 販売代理店または代理店
- 現地営業所
- エンベデッドソリューションエンジニア(ESE)
- テクニカルサポート
サポートについては、販売代理店、担当者、または ESE にお問い合わせください。地域の営業所もお客様をサポートします。営業所と所在地の一覧はこのドキュメントに記載されています。
テクニカルサポートは、 webサイト: サポート.
マイクロチップデバイスのコード保護機能
Microchip 製品のコード保護機能に関する次の詳細に注意してください。
- Microchip 製品は、それぞれの Microchip データ シートに記載されている仕様を満たしています。
- Microchip 社は、意図された方法で、動作仕様の範囲内で、通常の条件下で使用される場合、同社の製品ファミリは安全であると考えています。
- マイクロチップは、その知的財産権を尊重し、積極的に保護します。 マイクロチップ製品のコード保護機能に違反する試みは固く禁じられており、デジタルミレニアム著作権法に違反する可能性があります。
- Microchip も他の半導体メーカーも、そのコードの安全性を保証できません。 コード保護は、製品が「壊れない」ことを保証することを意味するものではありません。
- コード保護は常に進化しています。 マイクロチップ社は、製品のコード保護機能を継続的に改善することに取り組んでいます。
法的通知
この出版物およびここに記載されている情報は、Microchip製品の設計、テスト、およびアプリケーションとの統合を含め、Microchip製品でのみ使用できます。 この情報を他の方法で使用すると、これらの条件に違反します。 デバイスアプリケーションに関する情報は、お客様の便宜のためにのみ提供されており、更新によって置き換えられる場合があります。 アプリケーションが仕様を満たしていることを確認するのはユーザーの責任です。 追加のサポートについては、最寄りのMicrochip営業所にお問い合わせいただくか、次のURLで追加のサポートを受けてください。 www.microchip.com/en-us/support/design-help/client-support-servicesこの情報はマイクロチップによって「現状のまま」提供されます。マイクロチップは、明示的か黙示的か、書面か口頭か、法定かその他かを問わず、情報に関連するいかなる種類の表明または保証も行いません。これには、非侵害、商品性、特定目的への適合性に関する黙示の保証、またはその状態、品質、性能に関する保証が含まれますが、これらに限定されません。いかなる場合も、マイクロチップは、情報またはその使用に関連するいかなる間接的、特別、懲罰的、偶発的、または結果的な損失、損害、費用、経費についても、その原因が何であれ、マイクロチップがその可能性を知らされていたり、損害が予見可能であったりしても、一切責任を負いません。法律で認められる最大限の範囲で、情報またはその使用に関連するすべての請求に対するマイクロチップの全責任は、情報に対してお客様がマイクロチップに直接支払った料金の金額(ある場合)を超えないものとします。生命維持および/または安全アプリケーションにおける Microchip デバイスの使用は、完全に購入者の責任であり、購入者は、かかる使用から生じるあらゆる損害、請求、訴訟、または費用から Microchip を防御し、補償し、免責することに同意するものとします。特に明記されていない限り、Microchip の知的財産権に基づくライセンスは、暗黙的またはその他の方法で譲渡されるものではありません。
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ドキュメント / リソース
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MICROCHIP H.264 4K I-フレーム エンコーダ IP コア [pdf] ユーザーガイド H.264 4K I-フレーム エンコーダー IP コア、H.264 4K、I-フレーム エンコーダー IP コア、エンコーダー IP コア、IP コア |





