近年来，人们对高品质视觉享受的主观需求和半导体技术快速发展的客观条件共同促进了超高清电视产业的蓬勃发展。然而，由于当前传输系统带宽的限制，超高清电视节目只能以较低的帧率传输。与此同时，大屏幕显示设备的刷新率又有较大的提升，视频帧率低于屏幕刷新率，这一失配直接导致图像出现拖影、停顿、模糊等现象，显示效果不佳。视频帧率变换技术作为重要的视频后处理手段，可以有效的提升显示视频的帧率，在高刷新率的显示屏上提高图像的主观质量。本文详细设计和实现了超高清帧率变换系统中的核心子模块——片上存储模块。在超高清帧率变换系统中，如何有效的降低片外视频数据访问量是一个核心问题。在本文实现的系统中，通过采用片上存储模块来减小片外数据访问量，满足超高清视频的数据需求。本文首先从视频数据吞吐量和时钟周期等方面的需求出发，将各种访问请求中的单元块划分为若干序列，设计了相应的优化RAM排布方式，并设计了视频源、外存设备和片上存储三者间的数据映射关系，进而在设计带宽约束下，提出了片上存储模块的整体设计方案，满足了超高清帧率变换的数据需求。然后分别沿读写两条通路详细阐述了数据更新、访问请求控制和数据后处理三大部分的详细设计和实现。为了提升系统性能，本文还对片上存储模块作了进一步的优化，重点设计了节省时钟周期的模块间握手协议，提出了提高模块吞吐量的内部模块流水线排布方法；通过融合8bit视频源和10bit视频源的存储方式，复用了大量硬件电路，减小了系统的面积；通过设计新的访问策略提高了SDRAM的访问效率。最后，本文在Cadence软件平台上完成了设计的综合和验证，给出了设计的详细测试验证方案，分别从模块级验证和系统级验证两个不同层次全面验证了片上存储模块的功能。综合和验证结果表明，本设计的最高工作频率可以满足300MHz的要求，在65nmCMOS工艺下模块数字逻辑消耗资源门数为226.71K，总占用面积约为7.86mm2。