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內(nèi)嵌ARM核的FPGA芯片EPXA10及其在圖像驅(qū)動(dòng)和處理方面的應(yīng)用
摘要：介紹了內(nèi)嵌ARM核的FPGA芯片EPXA10的主功能特點(diǎn)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作方式，通過其在圖像驅(qū)動(dòng)和處理方面的應(yīng)用，體現(xiàn)了EPX10邏輯控制實(shí)現(xiàn)簡單、對(duì)大量數(shù)據(jù)做簡單處理速度快以及軟件編程靈活的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：ARM FPGA EPXA10 圖像驅(qū)動(dòng) 圖像處理
隨著亞微米技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)PGA芯片密度不斷增加，并以強(qiáng)大的并行計(jì)算能力和方便靈活的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)性，被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。但是在復(fù)雜復(fù)法的實(shí)現(xiàn)上，F(xiàn)PGA卻遠(yuǎn)沒有32位RISC處理器靈活方便，所以在設(shè)計(jì)具有復(fù)雜算法和控制邏輯的系統(tǒng)時(shí)，往往需要RISC和FPGA結(jié)合使用。這樣，電路設(shè)計(jì)的難度也就相應(yīng)大大增加。隨著第四代EDA開發(fā)工具的使用，特別是在IP核產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展下產(chǎn)生的SOPC技術(shù)的發(fā)展，使嵌入式RISC的通用及標(biāo)準(zhǔn)的FPGA器件呼之欲出。單片集成的RISC處理器和FPGA大大減小了硬件電路復(fù)雜性和體積，同時(shí)也降低了功耗、提高了系統(tǒng)可靠性。Altera公司的EPXA10芯片就是應(yīng)用SOPC技術(shù)，集高密度邏輯（FPGA）、存儲(chǔ)器（SRAM）及嵌入式處理器（ARM）于單片可編程邏輯器件上，實(shí)現(xiàn)了速度與編程能力的完美結(jié)合。本文所介紹的圖像驅(qū)動(dòng)和處理系統(tǒng)正應(yīng)用了EPX10的這些特點(diǎn)，充分發(fā)揮了FPGA邏輯控制實(shí)現(xiàn)簡單、對(duì)大量數(shù)據(jù)做簡單處理速度快的優(yōu)勢(shì)以及ARM軟件編程靈活的特點(diǎn)。
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1 內(nèi)嵌ARM核的FPGA芯片EPXA10及其主要特點(diǎn)
EPX10單片集成了ARM核、高密度的FPGA、存儲(chǔ)器及接和控制模塊，不僅簡化了ARM與FPGA之間的通訊，也使片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器以及和外設(shè)通訊變得相對(duì)簡單；同時(shí)通過在FPGA中嵌入各種IP核和用戶控制邏輯可以實(shí)現(xiàn)各種接口和控制任務(wù)。這樣的高度集成化不僅大大加快了ARM與片內(nèi)各種資源的通訊速度，而且減小了硬件電路的復(fù)雜性、體積和功耗，真正實(shí)現(xiàn)了SOPC。
EPX10內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要分為嵌入式處理器和FPGA兩部分。
1.1 嵌入式微處理器ARM922T
EPX10嵌入式處理器部分集成了業(yè)界領(lǐng)先的32位ARM處理器（ARM922T），工作頻率可達(dá)200MHz；支持32位ARMv4T指令集和16位Thumb擴(kuò)展指令集；具有全性能的內(nèi)存管理單元以及8K的指令緩存和8K數(shù)據(jù)緩存，以支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）、C語言和匯編語言。
1.2 高密度的FPGA
EPXA10片內(nèi)FPGA部分具有1000000門可編程邏輯、3MB的內(nèi)置RAM和512個(gè)可供用戶使用的I/O管腳，可以通過嵌入各種IP核實(shí)現(xiàn)各種標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)接口（如PCI、USB等）。
1.3 先進(jìn)的存儲(chǔ)支持
EPXA10嵌入式處理器部分集成了256KB單口SRAM和128KB雙口SRAM；同時(shí)集成了兩個(gè)先進(jìn)的存儲(chǔ)支持：（1）SDRAM控制器，用于控制單倍速/雙倍速不同控制進(jìn)序來確定的，實(shí)現(xiàn)起來非常復(fù)雜。有了SDRAM控制器的支持，只需要在Altera公司提供的EDA開發(fā)軟件Quartus II中設(shè)置好SDRAM工作所需的各種參數(shù)，就可以按照直接給出指令、地址和數(shù)據(jù)的方式對(duì)SDRAM進(jìn)行操作，控制器會(huì)自動(dòng)將各種指令轉(zhuǎn)化成SDRAM所需的工作時(shí)序，大大降低了對(duì)SDRAM的控制難度。（2）從FPGA啟動(dòng)。這種啟動(dòng)方式需要將設(shè)計(jì)下載到片外E2PROM中，而且設(shè)計(jì)中可包含F(xiàn)PGA部分的應(yīng)用。啟動(dòng)時(shí)FPGA為主動(dòng)，ARM處復(fù)位狀態(tài)，配置完成后，如果有對(duì)ARM的應(yīng)用，則ARM解除復(fù)位，執(zhí)行軟件代碼；反之，ARM一直處于復(fù)位狀態(tài)。
圖3
2 EPXA10的工作方式
EPXA10嵌入式處理器部分提供了兩條32位AMBA微控制器總線AHB1、AHB2，分別用于片內(nèi)各種資源的通訊，如圖1所示�；贏HB1、AHB2總線，EPXA10的工作方式大致可分為三種：（1）ARM作為AHB1總線的主控，直接訪問HAB1總線的從屬資源。包括SDRAM控制器、片上SRAM、中斷控制器等。（2）ARM作為AHB1總線的主控，通過AHB1-2橋訪問AHB2總線上的從屬資源，包括UART、EBI、SRAM、Stripe-To-PLD橋等，同時(shí)通過Stripe-To-PLD橋?qū)PGA進(jìn)行訪問和控制。（3）FPGA通過AHB2的總線主控PLD-To-Stripe橋訪問AHB2總線上的從屬資源，包括SRAM、SDRAM控制器，UART等。
EPXA10片內(nèi)集成了軟件可編程鎖相環(huán)路（PLL），為微控制器總線及SDRAM控制器提供了靈活精確的時(shí)鐘基準(zhǔn)。
3 EPXA10在圖
像驅(qū)動(dòng)和處理方面的應(yīng)用
本文所述的圖像驅(qū)動(dòng)和處理系統(tǒng)主要利用PPGA邏輯控制實(shí)現(xiàn)簡單、對(duì)大量數(shù)據(jù)做簡單處理速度快以及ARM軟件編程靈活的特點(diǎn)，系統(tǒng)框圖如圖2所示。在芯片F(xiàn)PGA部分，構(gòu)造了CMOS驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)CMOS圖像傳感器使之能夠采集圖像數(shù)據(jù)。然后圖像數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)接收模塊存入片外SDRAM中，并經(jīng)串口傳入PC機(jī)，要將圖像數(shù)據(jù)在PC機(jī)中顯示成圖像，還需編寫基于CDib類的圖像顯示程序；同時(shí)將圖像數(shù)據(jù)經(jīng)芯片ARM部分的圖像處理算法（本系統(tǒng)采用Sobel算子）處理，處理后的圖像數(shù)據(jù)才能經(jīng)串口傳給PC機(jī)進(jìn)行顯示。為了驗(yàn)證基于ARM的圖像處理算法實(shí)現(xiàn)的正確性，還將這一算法在PC機(jī)中進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，最后針對(duì)同一幅圖像，將兩種實(shí)現(xiàn)的結(jié)果進(jìn)行了比較。
3.1 圖像的驅(qū)動(dòng)
3.1.1 CMOS圖像傳感器的驅(qū)動(dòng)
要使CMOS圖像傳感器的成像，必須設(shè)計(jì)正確的驅(qū)動(dòng)時(shí)序，包括行同步、列同步、場同步及曝光時(shí)間設(shè)定等時(shí)序。利用FPGA邏輯編程簡單的特點(diǎn)，用硬件描述語言Verilog HDL編程，可在FPGA中實(shí)現(xiàn)CMOS圖像傳感器的驅(qū)動(dòng)時(shí)序，該驅(qū)動(dòng)時(shí)序的仿真結(jié)果如圖3所示。圖中，ld_y為行選通信號(hào)；ld_x為列選通信號(hào)；cal為場選通信號(hào)；clk_adc為內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器所需的時(shí)鐘；addr為行列地址線；sys_reset為曝光時(shí)間設(shè)定信號(hào)；s和r為內(nèi)部放大器選通信號(hào)。
3.1.2 圖像的采集
CMOS圖像傳感器輸出的信號(hào)為數(shù)字信號(hào)（即數(shù)字圖像數(shù)據(jù)），所以圖像的采集要通過FPGA中的數(shù)據(jù)接收模塊將圖像數(shù)據(jù)保存到片外SDRAM中。數(shù)據(jù)接收模塊狀態(tài)機(jī)如圖4所示。標(biāo)志Flag為1，開始采集數(shù)據(jù)。因?yàn)镃MOS圖像傳感器在每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘周期輸出一個(gè)數(shù)據(jù)（如圖3所示），接收模塊也相應(yīng)地設(shè)計(jì)成一個(gè)時(shí)鐘接收周期接收一個(gè)數(shù)據(jù)（Burst狀態(tài)），這樣就發(fā)揮了FPGA對(duì)大量數(shù)據(jù)處理速度快的優(yōu)勢(shì)。
3.1.3 圖像的顯示
ARM將SDRAM中的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)串口傳給計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)中用VC++語言編寫串口協(xié)議和圖像顯示程序，將CMOS圖像傳感器采集到圖像顯示在屏幕上，以便于監(jiān)測驗(yàn)證。
3.2 圖像的處理
本系統(tǒng)采用的圖像處理算法基于Sobel邊緣檢測算子。圖像的邊緣是由灰度不連續(xù)性所反映的，是的最基本信息。邊緣檢測算子檢查每個(gè)像素的的領(lǐng)域并對(duì)灰度變化率進(jìn)行量化，也包括方向的確定，大多數(shù)使用基于方向?qū)?shù)掩模求卷積的方法。就sobel算子而言，如圖55所示，采用了兩個(gè)3×3卷積核形成邊緣算子模板，緊鄰中心像素的像素有4個(gè)，和中心像素成斜對(duì)角的像素也有4個(gè)，距離中心素近的模板值的系數(shù)為2，成斜對(duì)角的比較遠(yuǎn)，所以其系數(shù)為1，該系數(shù)反映了這樣一點(diǎn)：領(lǐng)域?qū)Ξ?dāng)前像素的灰度梯度的影響程度越近影響越大，越遠(yuǎn)影響越小。圖像中的每個(gè)點(diǎn)都用這兩個(gè)核做卷積，一個(gè)核對(duì)垂直邊緣響應(yīng)最大，而另一個(gè)核對(duì)水平邊緣響應(yīng)最大，兩個(gè)卷積的最大值作為該點(diǎn)的輸出位，反映了當(dāng)前位置灰度梯度（圖像邊緣）的主要方向和大小。運(yùn)算結(jié)果反饋了一幅邊緣幅度圖像。
因?yàn)榕臄z的圖像邊1024×1024，采用的Sobel算子為3×3模板，所以圖像周邊的一圈像素（第1行、第1024行、第1列、第1024列）保持原灰度值。在圖像的第2行2列到1023行1023列的范圍內(nèi)，用圖5所示的算子模板進(jìn)行掃描計(jì)算，即當(dāng)前像素和與當(dāng)前像素相鄰的8個(gè)像素，分別與模板中位置相應(yīng)的8個(gè)系數(shù)相乘，累加這9個(gè)乘積結(jié)果，就得到針對(duì)某一方向的灰度梯度。比較兩個(gè)方向的計(jì)算結(jié)果，取量大者作為當(dāng)前位置的灰度梯度。圖7為圖6經(jīng)過Sobel算子進(jìn)行邊緣提取后得到的圖像。該算法在ARM中是基于C語言實(shí)現(xiàn)的，體現(xiàn)了ARM軟件編程靈活的特點(diǎn)。
3.3 試驗(yàn)結(jié)果
圖6是成功驅(qū)動(dòng)CMOS圖像傳感器后拍攝的景物圖像，可見圖像非常清晰。本文介別針對(duì)Soble算子進(jìn)行了基于PC機(jī)和基于ARM的實(shí)現(xiàn)，圖7為圖6經(jīng)過ARM中的Sobel算子的邊緣提取結(jié)果，圖8為圖6經(jīng)過PC機(jī)中Sobel算子的邊緣提取結(jié)果，圖9為圖7和圖8逐像素的比較結(jié)果。可見兩種實(shí)現(xiàn)方法得到的結(jié)果完全一致，說明了基于ARM的Sobel算子的實(shí)現(xiàn)是正確的。
上述驅(qū)動(dòng)和處理系統(tǒng)如果僅用FPGA來實(shí)現(xiàn)，算法部分的實(shí)現(xiàn)會(huì)比較復(fù)雜；如果僅用ARM來實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)時(shí)序的設(shè)計(jì)也會(huì)非常困難。面采用內(nèi)嵌ARM核的FPGA芯片EPXA10，單片就實(shí)現(xiàn)了上述系統(tǒng)，大大減小了設(shè)計(jì)的難度和電路的復(fù)雜性，同時(shí)也減小了硬件電路的體積和功耗，在系統(tǒng)小型化方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。由于EPXA10集成了先進(jìn)的ARM922T處理器器以及高密度的
FPGA，所以在不增加體積和改進(jìn)硬件電路的情況下，可以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的圖像處理算法和硬件控制邏輯設(shè)計(jì)，具有很強(qiáng)的系統(tǒng)擴(kuò)展?jié)摿�。這種嵌入式方案必將成為集成電路的發(fā)展趨勢(shì)，將會(huì)在未來較短的時(shí)間里得到快速的發(fā)展。
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