FPGA芯片EPXA10在圖像處理中的應(yīng)用

本文所介紹的圖像驅(qū)動和處理系統(tǒng)正是應(yīng)用了EPXA10的這些特點(diǎn)，充分發(fā)揮了FPGA邏輯控制實(shí)現(xiàn)簡單、對大量數(shù)據(jù)做簡單處理速度快的優(yōu)勢以及ARM軟件編程靈活的特點(diǎn)。
1 內(nèi)嵌ARM核的FPGA芯片EPXA10及其主要特點(diǎn)
　　EPXA10單片集成了ARM核、高密度的FPGA、存儲器及接口和控制模塊，不僅簡化了ARM與FPGA之間的通訊，也使片外擴(kuò)展存儲器以及和外設(shè)通訊變得相對簡單；同時通過在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。
　　EPXA10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
　　EPXA10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；同時集成了兩個先進(jìn)的存儲支持：(1)SDRAM控制器，用于控制單倍速/雙倍速SDRAM。SDRAM的各種工作狀態(tài)是依據(jù)信號線上提供的不同控制時序來確定的，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SDRAM進(jìn)行操作，控制器會自動將各種指令轉(zhuǎn)化成SDRAM所需的工作時序，大大降低了對SDRAM的控制難度。(2)擴(kuò)展總線接口(EBI)，可外接4個存儲設(shè)備，如閃速存儲器、SRAM等，總?cè)萘扛哌_(dá)128MB。其中EBI接口0外接閃速存儲器，用于存儲用戶的軟件、硬件設(shè)計(jì)代碼。
1.4 方便的接口模塊
　　EPXA10嵌入式處理器部分嵌入了串口通訊模塊(UART)，可以不用編程直接實(shí)現(xiàn)ARM與超級終端之間的串行通訊，實(shí)時監(jiān)視軟件的運(yùn)行情況。如果要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與ARM之間的數(shù)據(jù)傳遞存儲，只需用戶編寫基于VC++語言的串口通訊程序，這需要用到Microsoft公司提供的MSComm串行通訊控件。
1.5 靈活的啟動方式
　　EPXA10共有兩種啟動方式：(1)從ARM啟動。這種啟動方式需要將設(shè)計(jì)下載到片外閃速存儲器中，而且設(shè)計(jì)中必須包含對ARM的應(yīng)用。啟動時ARM為主動，配置各種寄存器及FPGA，執(zhí)行軟件代碼。(2)從FPGA啟動。這種啟動方式需要將設(shè)計(jì)下載到片外E2PROM中，而且設(shè)計(jì)中可以只包含F(xiàn)PGA部分的應(yīng)用。啟動時FPGA為主動，ARM處于復(fù)位狀態(tài)，配置完成后，如果有對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)。
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AHB1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鐘基準(zhǔn)。
3 EPXA10在圖像驅(qū)動和處理方面的應(yīng)用

本文所述的圖像驅(qū)動和處理系統(tǒng)主要利用FPGA邏輯控制實(shí)現(xiàn)簡單、對大量數(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FPGA部分，構(gòu)造了CMOS驅(qū)動模塊，驅(qū)動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)，最后針對同一幅圖像，將兩種實(shí)現(xiàn)的結(jié)果進(jìn)行了比較。