實(shí)時(shí)圖像處理、高速數(shù)據(jù)運(yùn)算處理要求其系統(tǒng)具有對(duì)數(shù)據(jù)處理速度快、數(shù)據(jù)吞吐率高以及多任務(wù)處理功能。目前大多數(shù)方案都是采用HPI數(shù)據(jù)傳輸方式，將ARM和DSP進(jìn)行組合完成一些圖像處理，DSP處理器只是完成圖像采集、壓縮、編碼等簡(jiǎn)單的處理[1]工作，不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)的智能識(shí)別或大數(shù)據(jù)量運(yùn)算的視頻處理要求。在應(yīng)用領(lǐng)域方面也會(huì)因其處理速度問(wèn)題受到一定的限制。
    例如，胎兒性別屏蔽項(xiàng)目中，要對(duì)實(shí)時(shí)視頻進(jìn)行性別部位的檢測(cè)和屏蔽，若采用單DSP則會(huì)出現(xiàn)漏幀或視頻不流暢；應(yīng)用于高速運(yùn)動(dòng)物體跟蹤時(shí)，單DSP無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)物體跟蹤，例如漢王科技的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和?？低曔\(yùn)動(dòng)檢測(cè)，都不能實(shí)時(shí)檢測(cè)，即使檢測(cè)也會(huì)出現(xiàn)漏檢現(xiàn)象和視頻不流暢。當(dāng)處理4CIF或者更大圖像時(shí)，單DSP的處理能力又會(huì)下降，雖然可以將圖像縮小進(jìn)行處理，但是縮小圖像則會(huì)丟失一些重要的圖像信息，使得智能識(shí)別準(zhǔn)確率下降。
    針對(duì)上述情況，設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)行快速信號(hào)處理和數(shù)據(jù)交換的實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)很有必要。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1.1 結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)功能：利用S3C6410進(jìn)行數(shù)據(jù)整合、任務(wù)調(diào)度、人機(jī)交互；利用TMS320C6416進(jìn)行算法運(yùn)算；每個(gè)DSP與FPGA都是無(wú)縫連接。設(shè)計(jì)中利用FPGA實(shí)現(xiàn)的FIFO進(jìn)行與DSP之間的高速數(shù)據(jù)傳輸以及ARM對(duì)多個(gè)DSP的任務(wù)調(diào)度處理等。
    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由1個(gè)ARM11處理器S3C6410(主處理器)與4個(gè)TMS320C6416(720 Hz)(從DSP）通過(guò)FPGA(EP2C70~7)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)的ARM+多DSP的嵌入式圖像處理系統(tǒng)。所有的DSP都通過(guò)外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)與FPGA無(wú)縫相連,每個(gè)DSP之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)FPGA內(nèi)部互聯(lián)FIFO網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。

    圖2所示是一種互聯(lián)的FIFO網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。主處理器通過(guò)DMA數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)模式與FPGA的雙口FIFO連接，從而實(shí)現(xiàn)與FPGA通過(guò)FIFO連接的所有從DSP進(jìn)行通信，所有FIFO都是雙向的，F(xiàn)IFO及其讀寫(xiě)控制邏輯都在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。

    FPGA中的FIFO讀寫(xiě)狀態(tài)控制、各從DSP之間通信的同步握手信號(hào)、S3C6410處理器數(shù)據(jù)請(qǐng)求等邏輯信號(hào)，都是由每個(gè)DSP的一部分GPIO口與EP2C70的I/O口連接實(shí)現(xiàn)。
1.2 特點(diǎn)
    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有可重構(gòu)特性,在硬件平臺(tái)不變情況下，只需通過(guò)改變FPGA程序代碼就可以完全改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同的算法結(jié)構(gòu)。如圖2中屏蔽DSP1~DSP4之間的互相通信，即可組成主從并行的流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)；若需要串行的流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)，只需將DSP1~DSP4的其中一個(gè)與S3C6410通信即可；若需要設(shè)計(jì)更復(fù)雜的串并混合性結(jié)構(gòu),也只需改變FPGA的代碼就能夠很容易地實(shí)現(xiàn)。

2 S3C6410的DMA與FPGA的軟FIFO
   接口實(shí)現(xiàn)
2.1 S3C6410簡(jiǎn)介
    S3C6410是三星公司的產(chǎn)品采用ARM1176JZF-S核,包含16 KB的指令數(shù)據(jù)Cache和16 KB的指令數(shù)TCM；ARM Core電壓為1.1 V時(shí)，可以在553 MHz下運(yùn)行。在1.2 V時(shí)，可以在667 MHz下運(yùn)行。通過(guò)AXI、AHB和APB組成的64/32 bit內(nèi)部總線(xiàn)與外部模塊相連。SROM Controller:6個(gè)片選,支持SRAM、ROM和NOR Flash以及支持8/16 bit，每個(gè)片選支持128 MB。JPEG Codec:支持JPEG編解碼功能,最大尺寸為4 096×4 096。2D GRAPHICS：2D加速，支持畫(huà)點(diǎn)/線(xiàn)，bitblt功能和Color Expansion。3D GRAPHICS：3D加速。
    S3C6410可支持4個(gè)DMA控制器，用于系統(tǒng)總線(xiàn)內(nèi)部或與外圍總線(xiàn)之間的數(shù)據(jù)交換，每個(gè)控制器包含8個(gè)通道，支持8/16/32 bit傳輸。現(xiàn)以外部DMA請(qǐng)求為例簡(jiǎn)要介紹DMA的工作過(guò)程。圖3所示為DMA基本工作時(shí)序。

    當(dāng)需要進(jìn)行DMA操作時(shí)，外部DMA請(qǐng)求引腳XnXDREQ置為低電平。此時(shí)DMA控制器向CPU發(fā)出占用總線(xiàn)的請(qǐng)求，當(dāng)總線(xiàn)請(qǐng)求成功后，XnXDACK引腳變?yōu)榈碗娖?，表示CPU已經(jīng)將總線(xiàn)使用權(quán)交給DMA控制器，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完成后，應(yīng)答信號(hào)XnXDACK置為高電平，通知CPU完成一次DMA操作。
    S3C6410提供了三種不同的DMA操作模式：?jiǎn)畏?wù)命令模式、單服務(wù)握手模式和全服務(wù)握手模式。在利用DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸前必須對(duì)其相關(guān)寄存器進(jìn)行設(shè)置，包括源地址寄存器、目的地址寄存器和各自的控制寄存器以及配置DMA模式的控制寄存器等。
2.2 FPGA及其實(shí)現(xiàn)FIFO[2]
    采用FPGA 實(shí)現(xiàn)多時(shí)鐘電路系統(tǒng)時(shí),需要處理不同的時(shí)鐘域之間速率匹配問(wèn)題,可利用FPGA內(nèi)部生成的異步FIFO來(lái)處理。異步FIFO主要由雙端口RAM、寫(xiě)地址產(chǎn)生模塊、讀地址產(chǎn)生模塊、滿(mǎn)空標(biāo)志產(chǎn)生模塊組成。雙端口RAM由FPGA的Block RAM塊構(gòu)成,FPGA采用Atera公司的EP2C70-896C7，其Block RAM讀寫(xiě)時(shí)鐘頻率可以達(dá)到216.73 MHz，因此選用Block RAM作為存儲(chǔ)體，不僅速度快，而且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)時(shí)，一個(gè)端口配置成寫(xiě)端口，另一端口配置成讀端口，然后把Block RAM 的管腳與相對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)相接即可。讀寫(xiě)地址通過(guò)FPGA芯片內(nèi)部的二進(jìn)制進(jìn)位邏輯產(chǎn)生，以對(duì)應(yīng)Read_En/Write_En作為使能信號(hào)在讀/寫(xiě)時(shí)鐘的控制下進(jìn)行計(jì)數(shù)。空或滿(mǎn)標(biāo)志可以由讀或?qū)懙刂返南鄬?duì)位置來(lái)獲得。本系統(tǒng)采用2個(gè)FIFO組成一路數(shù)據(jù)傳輸通道，雙向FIFO的設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

2.3 S3C6410的DMA與軟FIFO接口實(shí)現(xiàn)
    根據(jù)DMA接口原理，設(shè)計(jì)S3C6410與FPGA之間的接口簡(jiǎn)圖如圖5所示。

    讀時(shí)鐘由ARM的時(shí)鐘輸出引腳CLKOUT0提供。CLKOUT0根據(jù)S3C6410內(nèi)部寄存器的設(shè)置可以輸出不同的時(shí)鐘頻率。FIFO輸出數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)以nGCS4為選通信號(hào)的緩沖器(Buffer)后接到S3C6410的數(shù)據(jù)總線(xiàn)上。nGCS4是S3C6410存儲(chǔ)空間中BNAK4的片選信號(hào)，當(dāng)S3C6410對(duì)該信號(hào)對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)空間進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)，BANK4為低電平，其余時(shí)間均為高電平。
　　FIFO的寫(xiě)請(qǐng)求信號(hào)由S3C6410與FIFO的滿(mǎn)狀態(tài)共同控制。當(dāng)S3C6410發(fā)出START信號(hào)并且FIFO未滿(mǎn)時(shí)，寫(xiě)請(qǐng)求信號(hào)為高電平,FIFO在寫(xiě)時(shí)鐘的控制下寫(xiě)入數(shù)據(jù);當(dāng)START信號(hào)撤銷(xiāo)或者FIFO滿(mǎn)時(shí)，寫(xiě)請(qǐng)求信號(hào)變?yōu)榈碗娖?，停止?xiě)操作。
　    FIFO的讀操作與S3C6410的DMA操作配合進(jìn)行。系統(tǒng)采用單服務(wù)命令模式的DMA操作，每次傳輸一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。當(dāng)DREQ0信號(hào)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，DMA操作開(kāi)始，每次傳輸一個(gè)字節(jié)后產(chǎn)生一個(gè)DACK0應(yīng)答信號(hào)，而且只要DREQ0為低電平DMA操作就繼續(xù)進(jìn)行,直到DMA控制寄存器中的計(jì)數(shù)器為0，產(chǎn)生DMA中斷。根據(jù)上述時(shí)序特點(diǎn)，將FIFO的空信號(hào)作為DMA的請(qǐng)求信號(hào)DREQ0。當(dāng)CCD輸出的數(shù)據(jù)寫(xiě)入FIFO中時(shí)，空信號(hào)跳變?yōu)榈碗娖絾?dòng)DMA操作，同時(shí)以DACK0信號(hào)作為FIFO的讀請(qǐng)求。每次DMA傳輸完成后應(yīng)答信號(hào)使FIFO的讀指針移動(dòng)一位，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速準(zhǔn)確采集。
3 圖像采集模塊
    用可編程視頻輸入處理器SAA7113H進(jìn)行視頻信號(hào)處理。SAA7113H內(nèi)部集成了強(qiáng)大圖像色度、亮度處理功能以及多種輸出模式[3]；有32個(gè)工作寄存器，在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，必須通過(guò)I2C總線(xiàn)對(duì)其進(jìn)行初始化。本系統(tǒng)使用灰度圖像,沒(méi)有使用色度信號(hào),所以數(shù)據(jù)線(xiàn)為8 bit。SAA7113H與FPGA的接口如圖6所示。

    在本系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA內(nèi)部需要設(shè)計(jì)一邏輯時(shí)序完成圖像數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)的傳輸采用異步FIFO完成。采用此方案可以解決CCD輸出數(shù)據(jù)頻率與從DSP和ARM不匹配的問(wèn)題。
4 DSP的EMIFA與FPGA實(shí)現(xiàn)的軟FIFO接口
4.1 DSP的EMIFA接口[4-5]
    DSP(TMS320DM6416T)之間的通信都是通過(guò)外部存儲(chǔ)器接口(EMIFA)訪(fǎng)問(wèn)片外存儲(chǔ)器進(jìn)行的。EMIFA由64 bit數(shù)據(jù)線(xiàn)D[63:0]、20 bit地址線(xiàn)A [22:03]、 8 bit字節(jié)使能線(xiàn)BE[7:0]、4 bit地址區(qū)域片選線(xiàn)/CE3~/CE0和各類(lèi)存儲(chǔ)器的讀/寫(xiě)控制信號(hào)組成。TMS320DM6416T 的每個(gè)
/CEx空間都有256 MB尋址空間,并且可配置為與SRAM、SDRAM、ZBTSRAM、Flash、FIFO等各類(lèi)存儲(chǔ)器接口。EMIFA讀/寫(xiě)各類(lèi)存儲(chǔ)器的時(shí)鐘可由軟件配置為EMIF的AECLKIN、CPU/4或CPU/6。本設(shè)計(jì)配置為EMIF的AECLKIN，且為133 MHz。
4.2 EMIF與軟FIFO接口實(shí)現(xiàn)
    DSP之間通過(guò)EMIF口與FPGA實(shí)現(xiàn)的異步FIFO進(jìn)行通信。EMIF異步接口的每個(gè)讀/寫(xiě)周期分為三個(gè)階段：建立時(shí)間(SETUP)、觸發(fā)時(shí)間(STROBE)、保持時(shí)間(HOLD),且每個(gè)階段時(shí)間可編程設(shè)置，以適應(yīng)不同的讀寫(xiě)速度。DSP讀寫(xiě)異步FIFO的時(shí)序圖分別如圖7、圖8所示[6]。DSP讀寫(xiě)FIFO控制信號(hào)由FPGA產(chǎn)生，其邏輯關(guān)系如下：
    寫(xiě)FIFO信號(hào)：writ_clk= AECLKOUT
　　             writ_req=! (/CE+/AWE)
    讀FIFO信號(hào)：read_clk = AECLKOUT
　　             read_req = ! (/CE+/ARE)

    另外,寫(xiě)FIFO的DSP要相應(yīng)為滿(mǎn)狀態(tài)標(biāo)志，讀FIFO的DSP則相應(yīng)為半滿(mǎn)狀態(tài)標(biāo)志。
5 DSP之間數(shù)據(jù)通信[7]
    為了設(shè)計(jì)一款通用性比較強(qiáng)的圖像處理平臺(tái)，各處理器間的數(shù)據(jù)傳輸必需達(dá)到通用性，這樣可以針對(duì)不同系統(tǒng)的應(yīng)用，只須修改圖像處理算法代碼，而不須要修改各處理器之間的通信。具體設(shè)計(jì)分為如下兩部分：
　(1) 數(shù)據(jù)通信協(xié)議說(shuō)明（x=0,1,2,3）
　Se/Re (Send/Receive)[0]：ARM通過(guò)FPGA請(qǐng)求DSPx接收(該數(shù)據(jù)位為1)或發(fā)送。
　ARM[1:3]：該段數(shù)據(jù)為DSPx向FPGA發(fā)出請(qǐng)求數(shù)的DSP編號(hào)。
    DSPx[4:6]：ARM處理器向FPGA提出要求響應(yīng)的DSP的編號(hào)。
    Da_Le(Data_Leng)[7:18]：ARM請(qǐng)求DSPx接收或發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。
　Da_Un (Data_Unit)[19]：該標(biāo)志位表示是否按照Data_leng*K(1K=1 024 bit)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度傳輸數(shù)據(jù)，若為1，表示接收或發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為Data_leng*K(1K=1024 bit)；若為0,表示接收或發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為Data_leng。
　Da_Bl (Data_Block)[20:27]：該數(shù)據(jù)表示ARM請(qǐng)求DSPx接收或發(fā)送Data_Block個(gè)Data_leng K或Data_leng數(shù)據(jù)塊。
　Da_Ch(Data _Result)[7:18]：ARM請(qǐng)求DSPx接收或發(fā)送的算法代碼中間運(yùn)行結(jié)果或最終結(jié)果，此數(shù)據(jù)段與Data_Leng共用。
    In_Pr (Interrupt _Priority) [27:30]：設(shè)置DSP的中斷優(yōu)先權(quán)。
    Ot_Use (DSP_State) [31:34]：DSP狀態(tài)標(biāo)志信息。
　
    Ot_Use (Other_Use) [36:47]：用戶(hù)自定義數(shù)據(jù)段。
　(2) 數(shù)據(jù)通信主要流程
　首先，F(xiàn)PGA接收到ARM[1:3]處理器的請(qǐng)求信號(hào)，然后根據(jù)Data[0:34]計(jì)算出校驗(yàn)數(shù)據(jù)SUM與Parity_Check[35]比較，若不等，則FPGA向ARM處理器重新發(fā)請(qǐng)求信號(hào)；若相等、且DSPx為空閑狀態(tài)時(shí)，則FPGA由Send/Receive向DSPx發(fā)送接收或發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求,并將采集到的圖像數(shù)據(jù)傳輸給DSPx，同時(shí)使能對(duì)應(yīng)的FIFO數(shù)據(jù)通道；DSPx根據(jù)收到的數(shù)據(jù)信息，同樣計(jì)算出校驗(yàn)數(shù)據(jù)，若與Parity_Check相等,則根據(jù)Send/Receive標(biāo)志位，采用EDMA方式向EMIF口接收或發(fā)送Data_Block* Data_leng(或Data_Block* Data_leng K)數(shù)據(jù)。如果FPGA同時(shí)接收到2個(gè)或2個(gè)以上的DSPx數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求信號(hào)，則FPGA根據(jù)Interrupt _Priority端口數(shù)據(jù)判其執(zhí)行的先后順序。
6 系統(tǒng)的性能分析[7]
　影響系統(tǒng)性能的主要因素有：ARM處理器協(xié)調(diào)工作的響應(yīng)速度、DSP處理數(shù)據(jù)的速度、數(shù)據(jù)在多處理器之間的傳輸速度。前兩個(gè)因素主要由處理的主頻和處理能力決定，因此不做測(cè)試。數(shù)據(jù)在處理器之間的傳輸速度則是本設(shè)計(jì)的主要部分之一,而數(shù)據(jù)傳輸帶寬和數(shù)據(jù)傳輸延遲是衡量數(shù)據(jù)傳輸速度的重要指標(biāo)。
　若系統(tǒng)中DSP讀寫(xiě)FIFO的帶寬為B(單位時(shí)間內(nèi)DSP間的數(shù)據(jù)傳輸量)，則：
  
    表1是ARM處理器分別與DSP1~DSP4傳輸不同大小數(shù)據(jù)時(shí)測(cè)得的平均延遲時(shí)間，圖9是根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)繪出的實(shí)際帶寬Bf曲線(xiàn)。可以看出，隨著傳輸?shù)臄?shù)據(jù)增大，Bf逐漸逼近B的266 MB/s的理論值。

     本文基于ARM、FPGA、多DSP設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)圖像信號(hào)處理系統(tǒng)，使用FPGA芯片設(shè)計(jì)的一種高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)結(jié)構(gòu)，使得該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信能力和DSP的運(yùn)算能力能很好地匹配；通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸控制總線(xiàn)，使得數(shù)據(jù)傳輸十分靈活；利用S3C6410對(duì)圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)度,圖像數(shù)據(jù)處理任務(wù)的分配,圖像保存、顯示、網(wǎng)絡(luò)傳輸；利用4個(gè)TMS320C6416T對(duì)圖像做算法處理。經(jīng)測(cè)試，算法代碼在單DSP(TMS320C6416T 1 GHz)平臺(tái)下其處理時(shí)間小于0.2 s，而在本文平臺(tái)下其處理時(shí)間小于40 ms，可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)要求。另外，該系統(tǒng)可廣泛適用于其他圖像處理、電子對(duì)抗、雷達(dá)信號(hào)處理等各個(gè)領(lǐng)域。
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