基于FPGA的控制平面/數(shù)據(jù)平面視頻處理

　　嵌入式設(shè)計(jì)人員面臨的最大挑戰(zhàn)之一就是界定系統(tǒng)的性能需求。用以確定實(shí)際性能需求所需的信息要么無法獲取，要么難以獲得。最精確的估算有時(shí)也會(huì)因無法預(yù)料的計(jì)算負(fù)荷而失效。分析通常會(huì)指出，對(duì)于數(shù)據(jù)處理需求而言嵌入式處理系統(tǒng)的成本效益太低。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員高度渴望擁有可擴(kuò)展的能夠適應(yīng)性能需求潛在變化以及能夠執(zhí)行高性能數(shù)據(jù)處理的架構(gòu)。而在FPGA內(nèi)部實(shí)施的控制平面/數(shù)據(jù)平面處理架構(gòu)就能夠有效滿足上述要求。

　　什么是控制平面/數(shù)據(jù)平面處理?為什么您的下一代嵌入式系統(tǒng)可能會(huì)需要它?

　　在無法用軟件完成所有處理工作的系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)人員可以通過多種途徑來獲得其他性能。他們可以采用對(duì)稱或者非對(duì)稱處理配置的多處理器;使用硬件協(xié)處理器;或者將數(shù)據(jù)處理任務(wù)拆分給一個(gè)或多個(gè)專用處理單元——就像在控制平面/數(shù)據(jù)平面內(nèi)進(jìn)行處理一樣。

　　在這種編程方式下，數(shù)據(jù)處理被分成兩個(gè)不同的平面?？刂破矫娲碇鴮?duì)性能影響不大的算法元素，比如管理性任務(wù)、用戶界面和操作系統(tǒng)功能。同時(shí)，數(shù)據(jù)平面代表著數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的流動(dòng)，例如視頻流或音頻流及其處理。在數(shù)據(jù)平面上，設(shè)計(jì)人員采用諸如流水線這樣的技術(shù)來增強(qiáng)數(shù)據(jù)吞吐能力?？刂破矫?數(shù)據(jù)平面處理的典型應(yīng)用包括流視頻、網(wǎng)絡(luò)包處理以及高速信號(hào)處理。

　　讓我們來近距離觀察一個(gè)涉及流數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理的控制平面/數(shù)據(jù)平面應(yīng)用。我們將面臨高清視頻流特有模式的識(shí)別。該實(shí)要求混合使用高性能數(shù)據(jù)處理和包含嵌入式微處理器的控制功能的多種應(yīng)用的典型代表。

　　720p/60Hz的HD視頻流的像素頻率為74.25MHz。這就要求222.75MB每秒的處理速率。假定采用2.5GHz的雙核雙指令處理器來處理該數(shù)據(jù)，最佳的指令率為10G指令每秒。這樣的處理器可針對(duì)所處理數(shù)據(jù)的每一字節(jié)執(zhí)行22.4條指令。對(duì)某些應(yīng)用而言這已經(jīng)足夠了，但22.4條指令表明所能處理的數(shù)據(jù)非常有限。復(fù)雜的視頻處理功能，比如內(nèi)核卷積(kernelconvolution)、噪音消減和其他過濾功能需要更高的指令執(zhí)行效率。本文的解決方案準(zhǔn)備在數(shù)據(jù)平面上創(chuàng)建并行或流水線處理單元。

　　HD視頻處理是一種可以把問題劃分為控制平面和數(shù)據(jù)平面予以高效處理的常見的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。作為一種高度并行處理單元，F(xiàn)PGA在本例中負(fù)責(zé)視頻處理，同時(shí)由FPGA內(nèi)部的中等性能處理器負(fù)責(zé)視頻處理流水線。該處理器可專用于單個(gè)應(yīng)用，也可以運(yùn)行諸如Linux這樣的操作系統(tǒng)。最終形成的硬軟件混合實(shí)施方案可以把處理交付給能夠進(jìn)行最佳處理的部分，實(shí)現(xiàn)低成本、高性能數(shù)據(jù)處理解決方案。圖1顯示的是典型的控制平面/數(shù)據(jù)平面系統(tǒng)。

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　　圖1：典型的控制平面/數(shù)據(jù)平面處理系統(tǒng)。

　　采用FPGA實(shí)現(xiàn)計(jì)算負(fù)載均衡

　　除了不菲的ASIC，F(xiàn)PGA是性能最高、最具經(jīng)濟(jì)效益的流數(shù)據(jù)處理單元實(shí)施方法。FPGA因其靈活的架構(gòu)而能讓設(shè)計(jì)人員實(shí)施包含并行和流水線單元的處理系統(tǒng)。這樣設(shè)計(jì)人員即可優(yōu)化系統(tǒng)的性能和時(shí)延。

　　設(shè)計(jì)人員隨后可以將該數(shù)據(jù)平面解決方案應(yīng)用于外部的分立微處理器以進(jìn)行控制。在FPGA內(nèi)部加入該處理器能夠帶來多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。內(nèi)部處理器能夠大大減少處理器和數(shù)據(jù)平面單元之間的控制時(shí)延。時(shí)延的減少可以釋放出許多處理器周期。外部處理器必須與數(shù)據(jù)平面保持通信。通信通道可以是32位或者更多位數(shù)，并同時(shí)需要更多導(dǎo)線用于尋址和控制。增加的導(dǎo)線可能會(huì)要求更強(qiáng)大的處理器和FPGA封裝，從而導(dǎo)致系統(tǒng)成本增加。而采用PCIExpress(PCIe)能大幅度減少引腳數(shù)量。遺憾的是，不是所有的處理器和FPGA都支持這種相對(duì)新型的接口，而且即便支持，PCIe器件的成本也大大高于不采用PCIe的同類器件。

　　在FPGA內(nèi)部實(shí)施控制平面處理器和數(shù)據(jù)平面可以減少器件數(shù)量、板級(jí)空間和功耗，最終形成一個(gè)低成本的解決方案。在FPGA內(nèi)既有諸如PowerPC等硬核處理器，也有賽靈思MicroBlaze等軟核處理器，可以根據(jù)應(yīng)用要求配置基于FPGA的處理器?；贔PGA的系統(tǒng)能夠在處理器和FPGA邏輯之間移植決策和計(jì)算功能，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的優(yōu)化。

　　控制平面/數(shù)據(jù)平面系統(tǒng)的實(shí)施

　　某些工具可以簡化基于FPGA的控制平面/數(shù)據(jù)平面系統(tǒng)的實(shí)施。使用向?qū)Щ蛘咄ㄟ^調(diào)整現(xiàn)有參考設(shè)計(jì)來編譯系統(tǒng)是其中兩種常用的方法。

　　通過向?qū)PGA工具可迅速匯編微處理器系統(tǒng)。使用下拉列表或者復(fù)選框，您可以輕松地指定目標(biāo)部件以及需要的處理器和外設(shè)。同時(shí)，可以使用諸如MATLAB軟件這樣的工具來迅速編譯具有處理器總線接口的信號(hào)處理流水線以用于控制。另外，還可以使用C-to-HDL工具構(gòu)建數(shù)字信號(hào)流水線?？刂破矫?數(shù)據(jù)平面的連接可以簡單地通過匹配總線接口來完成。圖2顯示的是啟動(dòng)向?qū)У恼f明窗口和用向?qū)?gòu)建的最終系統(tǒng)。

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　　圖2：向?qū)?dòng)屏幕截圖和已完成的系統(tǒng)。

　　第二種方法是調(diào)整現(xiàn)有的參考設(shè)計(jì)。FPGA參考設(shè)計(jì)不斷發(fā)展并已成為市場的焦點(diǎn)。在我們的案例研究中使用的參考設(shè)計(jì)具有完整的微處理器系統(tǒng)、存儲(chǔ)器、外設(shè)和720pHD數(shù)字信號(hào)處理流水線。因此，該系統(tǒng)相當(dāng)于一款完整的控制平面/數(shù)據(jù)平面解決方案。在該參考設(shè)計(jì)中，由處理器控制增益和流水線中的FIR濾波器。使用C-to-FPGA工具創(chuàng)建目標(biāo)探測和高亮顯示模塊，讓整個(gè)系統(tǒng)具備功能所化的時(shí)間不到20個(gè)小時(shí)。

　　該處理器可以使用板卡支持包(BSP)提供的補(bǔ)充驅(qū)動(dòng)程序來控制數(shù)據(jù)流水線。目前已有面向Linux的驅(qū)動(dòng)程序，可以讓處理器直接控制數(shù)據(jù)處理流水線。Linux調(diào)用包括從Linux應(yīng)用中打開I/O器件，然后針對(duì)該器件進(jìn)行讀出或者寫入。

　　HD視頻識(shí)別系統(tǒng)案例研究

　　目標(biāo)檢測和識(shí)別廣泛應(yīng)用于監(jiān)控、醫(yī)學(xué)成像和工廠自動(dòng)化等行業(yè)。圖像的分辨率越高，目標(biāo)識(shí)別的準(zhǔn)確度越高。因此，對(duì)HD攝影機(jī)和相關(guān)的HD視頻流處理功能的需求較為強(qiáng)勁。我們的案例研究從這個(gè)問題(受一部著名的動(dòng)畫電影啟發(fā))出發(fā)：我們能否檢測并高亮顯示720pHD視頻流中的小丑魚?

　　該設(shè)計(jì)需要16位色譜，以便識(shí)別小丑魚的條紋圖案。一旦識(shí)別，小丑魚在屏幕上將被移動(dòng)的聚光燈并高亮顯示。此外，聚光燈的大小經(jīng)設(shè)計(jì)后可以隨匹配的似然性而調(diào)整(實(shí)際上，系統(tǒng)降低了聚光燈外的其他區(qū)域的圖像亮度)。聚光燈的尺寸變化和形狀計(jì)算以及為在每個(gè)像素位置搜索克隆魚所進(jìn)行的比較，將需要大量的計(jì)算以使其工作于74.25MHz的時(shí)鐘周期。顯然，這樣的處理要求大大超出了一般嵌入式處理器的能力。

　　在這種情況下，最好的解決辦法是把流數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)移到協(xié)處理器上。在FPGA內(nèi)部實(shí)施協(xié)處理器能夠以最低成本靈活構(gòu)建能夠滿足性能要求的解決方案。因此，基于FPGA的控制平面/數(shù)據(jù)平面架構(gòu)就是最佳的選擇。FPGA嵌入式處理可以通過總線接口控制負(fù)責(zé)接收視頻數(shù)據(jù)、探測小丑魚、高亮顯示小丑魚并輸出供顯示之用的視頻數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)處理流水線。

　　因此，在本目標(biāo)檢測和高亮顯示案例中，我們選擇50MHz的MicroBlaze嵌入式處理器來管理和控制74.25MHz的數(shù)據(jù)處理流水線，同時(shí)管理用戶界面。在免除了實(shí)際執(zhí)行視頻處理的責(zé)任后，處理器可以處理許多其他的功能，比如托管以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信、管理圖形用戶界面、對(duì)數(shù)據(jù)處理流水線進(jìn)行精細(xì)控制(例如，逐幀增益控制)等。

　　諸如Linux這樣的操作系統(tǒng)是提供多任務(wù)功能、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和用戶界面語言支持的理想選擇。圖3顯示了所實(shí)施系統(tǒng)的方框圖。該解決方案可以在高數(shù)據(jù)處理帶寬需求和用軟件控制數(shù)據(jù)處理方式之間實(shí)現(xiàn)理想的平衡。

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　　圖3：小丑魚探測器控制平面/數(shù)據(jù)平面系統(tǒng)。

　　采用C-to-FPGA工具實(shí)現(xiàn)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)

　　C-to-FPGA編譯器可以讓開發(fā)人員使用新的開發(fā)工具集和新技術(shù)解決軟件/硬件開發(fā)問題。開發(fā)人員可以先在軟件中進(jìn)行算法編碼。經(jīng)驗(yàn)告訴我們，在軟件中開發(fā)算法較在硬件中開發(fā)算法的效率更高。具體原因如下：首先，諸如C語言能夠讓編程人員在高級(jí)軟件語言的層面上開發(fā)算法，而這是使用Verilog或者VHDL硬件描述語言所不能達(dá)到的;其次，與同類的硬件開發(fā)工具相比，針對(duì)C語言的調(diào)試和測試工具運(yùn)行速度更快、效率更高，通常也更易于使用。相當(dāng)于硬件算法，C語言算法可以在目標(biāo)處理器上全速運(yùn)行，而硬件算法需要先在仿真程序上完成測試和調(diào)拭;最后，C語言開發(fā)工具較同類硬件開發(fā)工具的成本要低得多。因此，工程人員一般傾向于在C語言或者類似的高級(jí)語言中開發(fā)算法。

　　一旦使用C語言這樣的軟件語言完成對(duì)某個(gè)算法的驗(yàn)證，設(shè)計(jì)人員必須測量其性能，并確定該算法是否能夠完全在嵌入式處理器或是完全在硬件上運(yùn)行、或者硬軟件混合協(xié)處理實(shí)施方案是否為最佳選擇。在這種判斷過程中可以采用性能分析工具。如果代碼必須被轉(zhuǎn)到硬件上，則設(shè)計(jì)人員必須手工轉(zhuǎn)換算法，或者使用C-to-FPGA工具。

　　C-to-FPGA工具可以讓開發(fā)人員迅速把算法轉(zhuǎn)換成HDL代碼，優(yōu)化生成的硬件處理器，并執(zhí)行假設(shè)場景平衡性能和FPGA資源。該工具還能夠讓軟件工程師使用FPGA內(nèi)部的高性能數(shù)據(jù)處理邏輯，從而變身為硬件工程師。

　　使用Linux把處理器連接到FPGA

　　與FPGA制造商合作的Linux供應(yīng)商已經(jīng)開發(fā)完成了可讓處理器與FPGA通信并對(duì)其進(jìn)行控制的驅(qū)動(dòng)程序。首先，您必須針對(duì)該I/O器件配置Linux。配置步驟由兩個(gè)步驟組成。首先，把定制的驅(qū)動(dòng)程序加載到Linux內(nèi)核中：

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　　隨后，將驅(qū)動(dòng)程序注冊(cè)到特定的器件號(hào)碼(比如253)：

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　　通信是通過開啟該I/O器件、然后對(duì)該器件進(jìn)行讀寫而完成的，示例代碼段如下所示：

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　　FPGA的優(yōu)勢(shì)

　　信號(hào)處理器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)帶寬要求往往會(huì)超過通用處理器能經(jīng)濟(jì)地獲得的水平。在這種情況下，設(shè)計(jì)人員一般會(huì)把他們的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)劃分為兩個(gè)處理功能：使用通用處理器進(jìn)行控制處理，另外使用諸如FPGA等硬件加速器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。這樣就構(gòu)成了一個(gè)控制平面/數(shù)據(jù)平面處理系統(tǒng)。

　　FPGA非常適用于同時(shí)實(shí)施控制平面和數(shù)據(jù)平面功能。一個(gè)FPGA可以包含一個(gè)或者多個(gè)像MicroBlaze這樣軟處理器，和/或像PowerPC這樣的硬處理器。將它們集成到FPGA中可以實(shí)現(xiàn)控制平面處理器和數(shù)據(jù)平面處理系統(tǒng)之間的低時(shí)延、高帶寬通信。

　　借助向?qū)Ш皖A(yù)先構(gòu)建的參考設(shè)計(jì)，針對(duì)嵌入式和數(shù)據(jù)處理功能的系統(tǒng)編譯簡單明了。通過把在C語言中構(gòu)建的算法原型轉(zhuǎn)換到高性能硬件處理單元，C-to-FPGA工具有助于優(yōu)化這一進(jìn)程。最后，可以利用現(xiàn)在可用的Linux驅(qū)動(dòng)程序方便地完成處理器和FPGA信號(hào)處理流水線之間的通信及控制編碼。