基于SoPC系統(tǒng)和DMAC硬件實(shí)現(xiàn)視頻采集信號傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)以及通信技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字視頻技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在數(shù)字視頻技術(shù)的研究中，視頻數(shù)據(jù)傳輸是一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵。本文針對視頻數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性要求高的特點(diǎn)，采用流模式傳輸，將視頻采集數(shù)據(jù)通過DMA從存儲資源緊張的片內(nèi)緩存區(qū)搬運(yùn)至片外SDRAM幀緩沖區(qū)，實(shí)現(xiàn)圖像的高速傳輸。

利用SoPC（System on Programmable Chip）片上可編程系統(tǒng)技術(shù)，將處理器、多口SDRAM控制器、DMAC、I2C接口等模塊集成到一塊FPGA上，實(shí)現(xiàn)視頻圖像的采集、存儲、傳輸和顯示。采用自定制組件的辦法，將多口sDRAM控制器封裝成符合流模式規(guī)范的一個(gè)外設(shè)掛在Avalon總線上，非常方便DMAC進(jìn)行數(shù)據(jù)的搬運(yùn)，并大大提高了系統(tǒng)的性能。

1 流模式傳輸規(guī)范

流模式傳輸是Altera Nios II嵌入式系統(tǒng)中的一種高級Avalon總線傳輸方式。這種傳輸模式在流模式主外設(shè)和流模式從外設(shè)之間建立一個(gè)開放的信道，以提供連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸。這個(gè)信道使得只要存在有效數(shù)據(jù)就能進(jìn)行數(shù)據(jù)的流動(dòng)，主設(shè)備不需要不斷地對從外設(shè)的狀態(tài)寄存器進(jìn)行訪問。這樣使得主從端口之間的數(shù)據(jù)吞吐量達(dá)到最大，同時(shí)也避免了從外設(shè)的數(shù)據(jù)上溢或下溢。流傳輸模式最適合DMA傳輸。一個(gè)只包含流控制信號和一個(gè)計(jì)數(shù)器的*基金項(xiàng)目：深圳市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（200708）。DMA 控制器就可以用來在一個(gè)從外設(shè)和一個(gè)存儲器之間連續(xù)地傳輸數(shù)據(jù)。

本設(shè)計(jì)采用流傳輸模式的從端口讀傳輸和從端口寫傳輸?shù)姆椒?。從端口讀傳輸中，除了要設(shè)計(jì)接收主端口發(fā)出的clk信號、address信號、 read信號、chipselect信號和readdata信號之外，從外設(shè)還需要設(shè)置dataavailable信號有效來表示它能夠接收讀傳輸。從端口讀傳輸接口信號及其時(shí)序如圖1所示，由從外設(shè)發(fā)出的dataavailable有效時(shí)啟動(dòng)流模式讀傳輸，數(shù)據(jù)通過DMA的搬運(yùn)，開始連續(xù)不斷地由從外設(shè)流向主端口直至傳輸完成，傳輸?shù)耐Ｖ够蛑袛嘁灿蓮耐庠O(shè)來決定。同樣的道理，在寫傳輸中，要設(shè)計(jì)接收主端口發(fā)出的clk信號、address信號、 write信號等基本從端口寫傳輸信號之外，從外設(shè)則需要設(shè)置ready-fordata信號有效來表示它能夠接收寫傳輸，圖2為從端口寫傳輸接口信號及其時(shí)序。此外，讀傳輸和寫傳輸中的endofpacket信號取決于用戶設(shè)計(jì)。

2 SoPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖3所示，SoPC系統(tǒng)以32位Nios II處理器為核心，將所有的接口模塊集成到一塊FPGA內(nèi)。其中，多口SDRAM控制器作為一個(gè)自定制外設(shè)與其他通用外設(shè)（DMA控制器、SRAM控制器、Flash接口等）一同掛在Avalon總線上，并與圖像采集模塊、VGA顯示控制模塊以及12C通信模塊等一起構(gòu)成SoPC視頻采集系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)中，片外SDRAM容量較大，作為視頻數(shù)據(jù)源緩沖區(qū)以及顯示緩沖區(qū)；片外SRAM速度快但資源有限，可用于視頻處理緩沖區(qū)。從SDRAM（數(shù)據(jù)源）到 SRAM（處理緩沖區(qū)）以及從SRAM（處理緩沖區(qū)）到SDRAM（顯示緩沖區(qū)）的傳輸，則由DMAC采用流模式的方法來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的搬運(yùn)。

3 流模式接口的設(shè)計(jì)

（1）四口SDRAM控制器

本系統(tǒng)采用片外SDRAM作為幀緩沖區(qū)，而對SDRAM使用的關(guān)鍵在于其控制接口的設(shè)計(jì)。在SoPCBuilder集成開發(fā)軟件中，可直接使用系統(tǒng)元件庫提供的單口SDRAM控制器，但是該控制器IP核無法滿足采集、傳輸和顯示同時(shí)進(jìn)行的要求。因此，自定制了一個(gè)四口SDRAM控制器。如圖4所示，該四口SDRAM控制器中的2個(gè)端口用于流模式的讀和寫，另外2個(gè)端口一個(gè)作為圖像數(shù)據(jù)源輸入，還有一個(gè)作為VGA顯示輸出。

由于數(shù)據(jù)采集、VGA監(jiān)控、流模式傳輸數(shù)據(jù)流速度與SDRAM控制器存取不匹配，因此，對于這四口中的任何一個(gè)口，都用FIFO來對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖，以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的同步而不至于錯(cuò)位。而每個(gè)FIFO都有個(gè)水位檢測器，當(dāng)水位到半滿時(shí)根據(jù)仲裁電路判斷的優(yōu)先級啟用SDRAM讀寫命令，以100 MHz（系統(tǒng)時(shí)鐘頻率50 MHz）的頻率根據(jù)用戶給定的地址信號進(jìn)行批量數(shù)據(jù)的存取，從而滿足了四口并用的要求。該SDRAM控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

（2）數(shù)據(jù)流的傳輸

用DMA來搬運(yùn)數(shù)據(jù)不僅速度非?？?，而且整個(gè)操作不需要CPU的干預(yù)，可把CPU從繁重的數(shù)據(jù)傳送中解放出來。DMA控制器將數(shù)據(jù)從源地址空間傳輸?shù)侥康牡刂房臻g，數(shù)據(jù)源或目的地可以是Avalon從外設(shè)（一個(gè)固定地址），也可以是存儲器的一段地址范圍。對DMA控制器的使用，需要Nios II處理器對源地址和目的地址進(jìn)行初始化配置，同時(shí)也要預(yù)先給定傳輸長度以及傳輸模式等。本系統(tǒng)使用了Altera公司提供的HAL DMA設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。該驅(qū)動(dòng)程序把DMA傳輸抽象成兩種數(shù)據(jù)通道：數(shù)據(jù)發(fā)送通道和數(shù)據(jù)接收通道，如圖6所示。

如此，便可通過Nios II用軟件控制DMA以流模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具體搬運(yùn)的數(shù)據(jù)路徑如圖7所示。其中緩沖區(qū)1是采集數(shù)據(jù)的源緩沖區(qū)。緩沖區(qū)2是傳輸后顯示緩沖區(qū)，緩沖區(qū)3是處理緩沖區(qū)。對視頻的處理不是本文討論的范圍，故這里只將原圖像傳回。

（3）流模式接口的硬件設(shè)計(jì)

對流模式接口的硬件設(shè)計(jì)實(shí)際上就是把上述四口SDRAM控制器封裝成一個(gè)Avalon自定制組件，且這個(gè)組件的其中兩端口滿足流模式讀寫規(guī)范。根據(jù)Avalon總線流模式傳輸規(guī)范，該自定制外設(shè)需要設(shè)置dataavailable、readyfordata信號有效表示已經(jīng)準(zhǔn)備好流模式傳輸，同時(shí)接收主設(shè)備發(fā)出clk、read／write、chipse-lect等信號，并根據(jù)這些信號對上述FIFO進(jìn)行數(shù)據(jù)的存取。以下給出了該接口的部分 Verilog HDL代碼（u9、u10為FIFO的端口信號連接情況）：

（4）數(shù)據(jù)路徑的軟件控制

作為自定義的組件，除了硬件接口以外，還需要編寫驅(qū)動(dòng)層軟件（固件）。SoPC Builder生成的外設(shè)信息都保存在system．h文件里，固件的編寫主要是基于這個(gè)文件信息。

對數(shù)據(jù)路徑的控制是通過Nios II軟件配置DMA控制器來實(shí)現(xiàn)的。這種軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的辦法，既兼顧了傳輸?shù)乃俣扔旨骖櫫藬?shù)據(jù)路徑的靈活性。對數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)置，首先需要在SoPC Builder中設(shè)定DMA控制器的read_master和write_master，也就是數(shù)據(jù)搬運(yùn)的源和目的地。具體設(shè)置如圖8所示。

除此之外，還要在軟件上具體設(shè)置DMA傳輸?shù)脑吹刂贰⒛康牡刂?、傳輸長度以及傳輸模式等。這里給出部分調(diào)用HAL DMA驅(qū)動(dòng)的軟件代碼：

4 系統(tǒng)測試

（1）流模式接口仿真

用Quartus II自帶的Signaltap II邏輯分析儀對自定制的流模式接口信號進(jìn)行觀察，圖9為相關(guān)信號波形。經(jīng)過分析，此波形與流模式的傳輸規(guī)范吻合。

（2）系統(tǒng)測試

整個(gè)SOPC系統(tǒng)在Altera DEl的Cyclone II FPGA上實(shí)現(xiàn)。采用友晶科技公司的攝像頭進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)源輸入，用VGA顯示終端進(jìn)行輸出觀察，用DEl設(shè)計(jì)平臺和該SoPC視頻采集系統(tǒng)對某一場景進(jìn)行拍攝截圖。結(jié)果表明，該流模式接口工作流暢。

5 總結(jié)

本設(shè)計(jì)采用以Nios II為核心的SoPC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了視頻采集信號的流模式傳輸，并將其做成一個(gè)自定義外設(shè)，非常方便重復(fù)利用。另外，利用了DMAC硬件實(shí)現(xiàn)傳輸，且數(shù)據(jù)采集、存儲和顯示全硬件實(shí)現(xiàn)，速度非?？欤煌瑫r(shí)，可以將SRAM作為圖像處理緩沖區(qū)，將處理后的圖像讀回，這樣就搭建了一個(gè)圖像處理的硬件系統(tǒng)。當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)某種視頻處理的算法時(shí)，只需要修改圖像處理模塊，再放進(jìn)系統(tǒng)中就可以實(shí)現(xiàn)。

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