（通信与信息系统专业论文）基于sopc技术的嵌入式摄像控制系统的研究.pdf

基于s o p c 技术的嵌入式摄像控制系统的研究 v 1 0 0 7 8 7 4 摘要 随着市场经济的发展和人民物质生活水平的提高，银行、电力、交通、安全、 仓储、建筑以及军事设施等领域对安全防范和现场记录报警系统的需求起来越 大，要求也越来越高。视频监控系统以监控目标实时性强、适于远距离传输、便 于管理人员控制等突出优点，日益受到人们的重视。 就目前的监控系统实现方法而言，一般采用c p u + d s p 的方式来实现。这种实 现方法的主要缺点在于成本高，开发灵活性差。采用可编程逻辑器件就能弥补上 述缺点，把原来c p u + c p l d 硬件组合形式实现的功能仅用一块f p g a 芯片来实现。 这需要在f p g a 内实现3 2 位微处理器和视频信号采集、存储、色度空间转化等硬 件逻辑，这种构造片上可编程系统的s o p c 技术在业界还是前沿的技术。研究的 内容主要有以下几个方面： 1 基于n i o si i 的嵌入式摄像控制系统的构成和核心控制器的架构。 2 用v e r i l o gh d l 构造i p 核的方法，并构造出完成视频信号采集、分配、 存储和色度空间转化的i p 核c a m e r as h o w 。 3 s o p c 技术，在f p g a 芯片内构造一个n i o si i 的软核c p u ，通过a v a l o n 总线与外围器件控制逻辑和用户逻辑做连接，构造一个片上可编程系统。 4 u s b 通信方式的软件设计。 本设计采用的是a l t e r a 公司的c y c l o n ei i 系列中的e p 2 c 3 5 f 6 2 7 c 6 芯片， 利用s o p c 技术构造由n i o si i 软核处理器、c a m e r as h o wi p 核和其他外围设备 控制逻辑组成的系统。整个系统采用自上而下的方式进行设计。 对于系统中的用户逻辑部分可采用模块化的设计方法，首先将整个 c a m e r a _ s h o wi p 核分成视频信号的采集，分配，存储以及色度空间的转换等几 个模块，分别在q u a t u si i 中进行仿真，从理论上验证其可行性，全部调试通过 后合并成一个模块，添加到系统中去；然后根据需要设计电路原理图，在开发板 上实现整个系统，验证所需的各种功能，从实际上验证其可行性。实现了模拟摄 像头采集图像并在c r t 上显示的功能，速度流畅，画面清晰，很好的达至了监控 系统的要求。 结果表明，采用f p g a 迸行设计的监控系统与基于a r m 平台的系统相比有运 行速度快、外设资源少、开发周期短、成本低的优点。相信在不久的将来，监控 系统市场上会有更多的基于s o p c 技术实现的产品出现。 关键词：片上可编程系统( s o p g ) ，现场可编程逻辑阵列( f p g a ) ，n i o sf i 软核 处理器，视频信号处理，监控系统 基于s o p c 技术的嵌入式摄像控制系统的研究 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to f m a r k e te c o n o m ya n di m p r o v e m e n to f p e o p l e ss t a n d a r do fl i v i n g ，r e q u i r e m e n to fs a f e g u a r d a n dl o c a l er e c o r d e ra l a r m s y s t e mi sl a r g e ra n dh i g h e ri nf i e l d ss u c ha sb a n k 、e l e c t d c a lp o w e r 、t r a f f i c 、 s a f e t y 、s t o r a g e 、b u i l d i n ga n dm i l i t a r ya f f a i r se s t a b l i s h m e n t v i d e os u r v e i l l a n c e s y s t e m h a so u t s t a n d i n gf e a t u r e s ，i n c l u d i n gr e a lt i m ei n s p e c t i n go b j e c t s ， s u p p o r tf a rd i s t a n c et r a n s m i ta n dc o n v e n i e n tf o rm a n a g e rt oc o n t r o l ，s o i t a 牡a c h e sp e o p l e sg r e a ti m p o r t a n c ei n c r e a s i n g l y c o m p a n i e sa l w a y sa d a p tt h ew a y su s i n gc p u + d s pt oi m p l e m e n tt h e m o n i t o rs y s t e m t h i sr e a l i z a t i o nh a sh i g hc o s ta n dp o o ra g i l i t y , b u tu s i n g p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c ec a nr e c u p e r a t et h e s ed e f e c t s t h ef u n c t i o no ft h e o r i g i n a lc p u + c p l d c o m b i n a t i o nc a r lb er e a l i z e db yo n ef p g ac h i p i tn e e d s t or e a l i z ea3 2 - b 【n i o si ic p ua d d i n gw i t ht h eh a r d w a r el o g i co fv i d e os i g n a l s s e l e c t 、s t o r a g e a n dc o l o rs p a c et r a n s f o r mi naf p g ac h i p 。t h es o p c t e c h n o l o g yw h i c hc r e a t e sp r o g r a m m a b l es y s t e mo nas i n g l ec h i pi s o nt h e e d g eo ft h i sf i e l d t h er e s e a r c hc o n t e n th a sm a i n l yt h ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t s ： 1 t h eb l o c kd i a g r a mo fe m b e d d e dc a m e r ac o n t r o ls y s t e mb a s e do nn i o s i ia n dt h ea r c h i t e c t u r eo fi t sc o r ec o n t r o l l e r 2 t h er e s e a r c ho fm a k i n ga ni pc o r ew i t hv e r i l o gh d la n dm a k i n ga ni p c o r en a m e dc a m e r a _ s h o ww h i c hc a np e r f o r mt h ef u n c t i o n si n c l u d i n g v i d e os i g n a l ss e l e c t 、a s s i g n 、s t o r a g ea n dc o l o rs p a c et r a n s f o r m 3 t h et e c h n o l o g i e so fs o p c 。d e s i g n i n ga3 2b i t sn i o si ic p uw i t hs o p c c r e a t eas o p cb yl i n k i n gp e r i p h e r yc o n t m ll o g i ca n du s e rl o g i cw i t h a v a l o nb u s 4 t h es o f t w a r ed e s i g no fu s bc o m m u n i c a t i o n t h ee p 2 c 3 5 f 6 2 7 c 6c h i po fa l t e r ac o r p o r a t i o n 。sc y c l o n ei if a m i l yi su s e di n t h i sd e s i g n t h es y s t e mo fn i o si ic p u 、c a m e r as h o wi pc o r ea n dp e r i p h e r y c o n t r o ll o g i cc o m p o s i t i o ni sd e s i g n e dw i t hs o p c t h i ss y s t e md e s i g n e db yt h e t o pt ob o r o mm o d e t oi m p l e m e n tt h eu s e rl o g i cp a r to ft h es y s t e m ，i tc a nu s em o d u l a r i z e d e s i g nm e a s u r e s f i r s t l y , d i v i d e t h ec a m e r a _ s h o wi pc o r ei n t os e v e r a l 基于s o p c 技术的嵌入式摄像控制系统的研究 m o d u l e s ，i n c l u d i n gv i d e os i g n a l ss e l e c t 、s t o r a g ea n dc o l o rs p a c et r a n s f o r m m o d u l e s ，s i m u l a t et h e mi nq u a r t u si ir e s p e c t i v e l yi no r d e rt ot h e o r e t i c a l l y c o n f i r mi t sf e a s i b i l i t y , u n i t et h e mi n t oam o d u l ea f t e rp e f f e c td e b u g ，a d di ti n t h es y s t e m ；s e c o n d l y id e s i g ns c h e m a t i cf i tf o rr e q u i r e m e n t 。i nt h ea c t u a l e x p e r i m e n t ，a l lt h er e q u i r e df u n c t i o n sa r ec o n f i r m e do nt h ed e v e l o p m e n tb o a r d i no r d e rt or e a lc o n f i r mi t sf e a s i b i l i t y a na n a l o gc a m e r ac o l l e c t st h ev i d e oa n d s h o w sc l e a ri m a g eo nt h ec r t , m e e tt h er e q u i r e m e n to fm o n i t o rs y s t e mf i n e l y t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h em o n t i ) rs y s t e mb a s e do nf p g ai sm u c h s u p e r i o r i t yt h a ns y s t e mb a s e do na r mi nt h ea s p e c t s ，s u c ha s ，l o w e rc o s t ， s h o r t e rp e r i o do fd e v e l o p m e n t ，f a s t e rr u ns p e e d ，l e s sd e v i c er e s o u r c e s i ti s b e l i e v e dt h a tt h e r ew i l lb em o r ep r o d u c t sb a s eo ns o p ca p p e a mi nm o n i t o r s y s t e mm a r k e ti nt h en e a rf u t u r e f a nl i n gj i n g ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ne n g i n e e d n g ) d i r e c t e db y ：g o n gz h a og a n g y a n gz h o n gg a n k e y w o r d s ：s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ( s o p c ) ，f i e l dp r o g r a m m a b l e g a t ea r r a y ( f p g a ) ，n i o si is o f tc o r ep r o c e s s o r , v i d e os i g n a lp r o c e s s i n g ， m o n i t o rs y s t e m 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包括其他人或其他机构已 经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：丝丞蠡日期：理! ：! ：坚 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名：墼筵墨导师签名：建巡垫妣期：坦笙 基于s o p c 技术的嵌入式摄像控制系统的研究 第一章绪论 1 1 引言 随着市场经济的发展和人民物质生活水平的提高，银行、电力、交通、安全、 仓储、建筑以及军事设施等领域对安全防范和现场记录报警系统的需求起来越 大，要求也越来越高。视频监控系统以监控目标实时性强、适于远距离传输、便 于管理人员控制等突出优点，日益受到人们的重视。同时由于科技的飞速进步使 得计算机在运算速度、存储容量、图像处理等方面的性能也越来越强，计算机多 媒体技术不断地发展，促使智能化的视频监控系统推广应用成为可能。 视频监控的具体实现的方式是：视频监控系统将被监控现场的实时图像和数 据等信息准确、清晰、快速地传送到监控中心服务器端，监控中心能够实时、直 接地了解和掌握各个被监控现场的当前情况，可在本系统内建立监控调度中心， 对远端现场的图像声音及其他敏感数据进行实时监控以便对敏感事件进行快速 反应。 视频监控是一门集计算机技术、网络技术、数字视频技术于一体的技术，而 随着计算机技术和多媒体技术的迅速发展，将自动控制和多媒体技术融入到视频 监控系统中来，更大的推广了它的普及和应用。它以其独特的功能和先进的技术 广泛应用于国内外各行各业之中，逐渐成为各领域综合性管理系统不可缺少的重 要组成部分。展望信息网络技术的发展。视频监控系统将具有广阔的应用前景、 更高的社会价值。 1 2 视频监控系统1 1 2 1 视频监控系统发展历程 随着计算机技术、网络技术、数字视频技术等高科技技术的发展，视频监控 技术也得到了迅速发展。视频监控系统的发展大致经历了三个阶段： ( 1 ) 模拟视频监控 第一代监控系统模拟监控系统发展较早。图像监控系统主要由摄像机、视频 矩阵、监视器、录像机等组成，将来自摄像机的视频连接到监视器上，采用视频 矩阵主机，用键盘进行切换和控制，录像到磁带录像机。系统视频、音频信号的 采集、传输、存储均为模拟形式，质量较高。 经过几十年的发展，模拟视频监控技术不断成熟，系统功能强大、完善，主 要应用于小范围内的监控，如大楼监控。但是，模拟视频监控系统存在很多不足 之处，主要在于： 基于s o p c 技术的嵌入式摄像控制系统的研究 模拟视频信号的传输对距离十分敏感，当传输距离大于1 0 0 0 米时，信号 容易产生衰耗、畸变、时延，并且易受干扰，使图像质量下降。 模拟视频监控无法联网，只能以点对点的方式监视现场，并且使得布线工 程量极大，升级能力差，一旦建立，很难修改增加新的监控点。 模拟视频信号数据的存储会耗费大量的存储介质( 如录像带) ，查询取证 时较为烦琐。 ( 2 ) 数字视频监控 进入2 0 世纪9 0 年代，随着数字视频压缩编码技术的日益成熟、微机的普及 化，视频监控迎来了一次技术性革命。慢慢从过去模拟处理方式转向数字处理方 式，开始使用计算机处理图像信号。数字视频监控由p c 机插视频卡构成，在监 控现场，有若干个摄像机以及某种检测、报警探头与数据设备，通过各自的传输 线路汇接到监控终端机上( 该终端可以是一台p c 机，也可以是专用的多媒体监 控终端) 。 数字视频监控系统的主要特点；视频、音频信号的采集、存储主要为数字形 式，质量较高，系统功能较为强大、完善，与信息系统可以交换数据应用的灵活 性较好，但仍然存在下列缺点： 稳定性不够好，可靠性差，系统建设成本高，不易维护且维护费用较大。 需专人管理，特别是在环境或空间不合适的监控点，这种方式不理想， 监控现场器要专人值守，维护烦琐。 通信协议的多样化与专用化很难统一，导致已有的计算机资源远远满足 不了多种设备的要求。 计算机的运行速度较低，而数字视频的数据量又很大，这样就限制了利 用一台计算机间时处理更多数字视频信号的能力，很难组建大型监控系统。 ( 3 ) 数字化网络视频监控 简单的说，网络数字监控就是将传统的模拟视频信号转换为数字信号，通过 计算机网络来传输，智能化的计算机软件来处理显示。具体实现方式为：系统将 传统的视频、音频及控制信号数字化，以i p 包的形式在网络上传输。 网络数字视频系统与第一、二代系统相比具有以下优势： 数字化网络视频监控系统把监控录像保存在大容量硬盘上，信息可以长 期存储且不易丢失，图像质量不下降。 系统扩展能力强，只要有网络的地方增加监控点设备就可扩展新的监控 点。维护费用低，网络维护由网络提供商维护，前端设备是即插即用、免维护系 统。 - 视频数据经过压缩之后，占有带宽小，可以在计算机网络上传输图像数 基于s o p c 技术的嵌入式摄像控制系统的研究 据，基本上不受距离限制，信号不易受干扰，可大幅度提高图像品质和稳定性， 便于传输和实现远端控制。 数字视频可利用计算机网络联网，网络带宽可复用，系统功能强大、利用 灵活、全数字化录像便于保存和检索。 与上一代的视频监控系统相比，网络化视频监控系统具有体积小、安装方便， 现场无需专人值守、成本低、稳定性高、实时性好等特点。因此数字网络化视频 监控系统必将有良好的应用与发展前景。 1 2 2 视频监控系统的应用 近年来，视频监控在各行各业得到了广泛的应用，从功能上讲，视频监控主 要用于安全防范、信息获取和指挥调度方面。主要有下面几个方面的应用； 民用 取代传统铁栅栏式的安全防盗系统，越来越多的智能小区和家庭中有了视频 监控系统，保护人们的生命财产安全。 工业。 用于对重要区域或远程地点的监视和控制，如电力系统、电信机房、工厂、 城市交通、水利系统和边远或者条件艰苦不便于监视的环境，视频监控系统将被 监控点实时采集的视频文件及时地传输给监控中心，实时动态地报告被监测点的 情况，发现问题并进行处理。 - 国防 建立边防远程视频监控系统，能准确及时地掌握边、海防区域的军事情况。 对关键口岸、哨所和敏感地区实施监控，使我军情报部门直观、及时地监视边、 海防前线的当面情况，提高情报获取的实时性和综合处理能力，也能有效防止偷 渡、出逃、走私、贩毒等非法行为。 1 2 3 视频监控系统国内外现状及发展方向2 1 1 国内外现状 在国内外市场上，模拟视频监控技术发展己经非常成熟、性能稳定，在实际 工程中得到广泛应用，特别是在大、中型视频监控工程中的应用尤为广泛。数字 视频系统是新近崛起的以计算机技术及图像视频压缩为核心的新型系统，该系统 解决了模拟系统部分弊端，但仍需进一步完善和发展。 由于历史及观念上的原因，我国大陆的监控产业较发达国家晚二三十年。但 是在二十世纪九十年代末，随着我国经济的快速发展、人民物质生活水平的提高 和消费观念的改变，中国监控行业在伴随着计算机技术、图像处理技术和网络技 术的发展普及，兴起了数字化网络视频监控系统的浪潮。这股浪潮使自八十年代 末期成长起来的中国监控市场发生了深刻的变化，中国从事网络视频监控的企业 基于s o p c 技术的嵌入式摄像控 4 系统的研究 第一次站在了与国外公司几乎相同的起跑线上，也为中国新兴的专业网络视频监 控公司和企业带来了前所未有的挑战和机遇。 2 发展方向 数字化是2 1 世纪的特征，是以信息技术为核心的电子技术发展的必然；网 络化是当今网络迅速发展的必然结果。视频数字化、监控网络化是视频监控系统 公认的发展方向。 视频监控系统的数字化首先是系统中信息流从模拟状态转为数字状态，根本 上改变视频监控系统从信息采集、数据处理、传输到系统控制等方面的结构形式。 信息流的数字化、编码压缩、开放式的协议，使视频监控系统与安防系统中其它 各子系统间实现无缝连接，并在统一的操作平台上实现管理和控制。 视频监控系统的网络化是远程视频监控系统今后发展的主要目标之一，系统 网络化将实现整个网络系统硬件和软件资源共享以及任务和负载共享。提高网络 的利用效率，这也促使视频监控系统成为新的网络应用熟点。 1 3 课题的研究内容及意义 本课题主要是研究基于s o p c 技术的嵌入式摄像控制系统。在目前市场上几 乎所有的摄像控制系统都是采用的c p u + d s p 的方式的背景下，上海邦达电子系 统工程有限公司的龚老师以其敏锐的眼光，高瞻远瞩的认识到采用s o p c 技术是 摄像控制系统的发展趋势。采用s o p c 方式设计的控制系统与c i ，u + d s p 方式设 计的系统相比有成本低、图像清晰、流畅等优点。相信在不久的将来，在视频监 控行业会有更多的基于s o p c 技术的嵌入式摄像控制系统的出现。 基于s o p c 技术的嵌入式摄像控制系统的研究主要包含以下研究内容： ( 1 ) f p g a 、n i o si i 软核、n i o s1 ii d e 、s o f cb u i l d e r 的概念。因为s o p c 是 利用s o p c b u i l d e r 工具在f p g a 芯片构建的，系统的c p u 是n i o s i i 软核， 系统的软件在n i o s i d e 中设计，所以有必要对上述概念进行深入的研 究和阐述。 仡，视频信号的基础知识。将摄像头采集到的视频信号显示到v g a 上，是需 要进行一系列的信号处理的，所以有必要对视频信号有很深刻的了解。 o 夕搭建系统的硬件平台。包括f p g a 与外围设备的连接，f f g a 内部用户逻 辑与n i o si ic p u 通过a v a l o n 总线的连接以及其他辅助电路的设计。 夕构建口核的方法。因为f p g a 有丰富的逻辑资源，所以有很多简单的逻 辑电路不需要采用专用芯片来设计，这样大大地降低了成本。构造d 核 与c p u 连接，完成相应的逻辑功能。 佑j 软件系统的设计。 基于s o p c 技术的嵌入式摄像控制系统的研究 第二章f p g a 、s o p c 技术及3 2 位n i o si l 软核处理器简介 2 1f p g a 技术 2 1 1可编程逻辑器件f p g a 玛1 随着微电子设计技术与工艺的发展，数字集成电路从电子管、晶体管、中 小规模集成电路、超大规模集成电路逐步发展到今天的专用集成电路( a s i c ) ， 但是a $ 1 c 设计周期长，改版投资大，灵活性差，于是提出了可编程逻辑器件的 基本思想。 从广义上讲，可编程逻辑器件是指一切通过软件手段更改、配置器件内部 连接结构和逻辑单元，完成既定设计功能的数字集成电路。目前常用的可编程逻 辑器件主要有简单的逻辑阵列( p a l g a l ) 、复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 和现 场可编程逻辑阵歹| j ( f p g a ) 等3 大类。 ( 1 ) p a l g a l p a l 是p r o g r a m m a b l ea r r a yl o g i c 的缩写，即可编程阵列逻辑；g a l 是 g e n e r i c a r r a yl o g i c 的缩写，即通用可编程阵列逻辑。p a l g a l 是早期可编程逻 辑器件的发展形式，其特点是大多基于e 2 c m o s 工艺，结构较为简单。可编程 逻辑单元多为与、或阵列，可编程单元密度较低，仅能适用于某些简单的数字逻 辑电路。虽然p a l c g a l 密度较低，但是它们一出现即以其低功耗、低成本、高 可靠性、软件可编程、可重复更改等特点引发了数字电路领域的巨大振动。虽然 目前较复杂的逻辑电路一般使用c p l d 甚至f p g a 完成，但是对应很多简单的 数字逻辑，g a l 等简单的可编程逻辑器件仍然被大量使用。目前，国内外很多 对成本十分敏感的设计都在使用g a l 等低成本可编程逻辑器件，越来越多的7 4 系列逻辑电路被g a l 取代。g a l 等器件发展至今已经近2 0 年了，新一代的g a l 以功能灵活、小封装、低成本、重复可编程、应用灵活等优点仍然在数字电路领 域扮演者重要的角色。目前比较大的g a l 器件供应商主要是l a t t i c e 半导体 ( 2 ) c p l d c p l d 是c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e 的缩写，即复杂的可编程逻 辑器件。c p l d 是在p a l , g a l 的基础上发展起来的，般也采用e 2 c m o s 工艺， 也有少数厂商采用f l a s h 工艺，其基本结构由可编程i o 单元、基本逻辑单元、 布线池和其他辅助功能模块构成。c p l d 可实现的逻辑功能比p a l ，o a l 有了太 幅度的提升，一般可以完成设计中较复杂、较高速度的逻辑功能，如接口转换、 总线控制等。c p l d 的主要器件供应商有a l t e r a ，l a t t i c e 。 ( 3 ) f p g a 基于s o p c 技术的嵌入式摄像控制系统的研究 f p g a 是f i l e dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 的缩写，即现场可编程逻辑阵列。 f f g a 是在c p l d 的基础上发展起来的新型高性能可编程逻辑器件，它一般采用 s r a i v l 工艺，也有一些专用器件采用h a s h 工艺或反熔丝( a n t i f u s e ) 工艺等。 f p g a 的集成度很高，其器件密度从数万系统门到数千万系统门不等，可以完成 极其复杂的时序与组合逻辑电路功能，适用于高速、高密度的高端数字逻辑电路 设计领域。f p g a 的基本组成部分有可编程输入输出单元、基本可编程逻辑单 元、嵌入式块r a m 、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元、内嵌专用硬核等。 f p g a 的主要器件供应商有x i l i n x ，a l t e r a ，l a t t i c e ，a c t e l 和a t m e l 等。 2 1 2f p g a 的基本结构 简化的f p g a 基本由6 部分组成，分别为可编程输入输出单元、基本可 编程逻辑单元、嵌入式块r a m 、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元和内嵌专 用硬核等，如图2 - 1 所示。 图2 - 1可编程逻辑器件( f p g a ) 的结构原理图 ( 1 ) 可编程输入输出单元 输入输出( i n p u t o u t p u t ) 单元简称i o 单元，它们是芯片与外界电路的接 口部分，完成不同电气特性下对输入输出信号的驱动与匹配需求。为了使 f p g a 有更灵活的应用，目前大多数f p g a 的i ，o 单元被设计为可编程模式，即 通过软件的灵活配置，可以适配不同的电气标准与i o 物理特性；可以调整匹配 阻抗特性，上下拉电阻；可以调整输出驱动电流的大小等。可编程的单元支持 基于s o p c 技术的嵌入式摄像控制系统的研究 的电气标准因工艺而异，不同器件商不同器件族的f p g a 支持的i 0 标准也不同。 一般说来，常见的电气标准有i m 门疆，l v c m o s ，s s t lh s t l , l v d s ，l v p e c l 和p c i 等。值得一提的是，随着a s i c 工艺的飞速发展，目前可编程i o 支持的 最高频率越来越高，一些高端f p g a 通过d d r 寄存器技术，甚至可以支持高达 2 g b i t s 的数据速率。 ( 2 ) 基本可编程逻辑单元 基本可编程逻辑单元是可编程逻辑的主体，可以根据设计灵活地改变其内部 连接与配置，完成不同的逻辑功能。f p g a 一般是基于s r a m 工艺的，其基本 可编程逻辑单元几乎都是由查找表( l u t , l o o ku pt a b l e ) 和寄存器( r e g i s t e r ) 组成的。f p g a 内部查找表一般为4 输入( 注：a l t e r as t r a t i xi i 的自适应逻辑模 块a l m 结构比较特殊) ，查找表般完成纯组合逻辑功能。f p g a 内部寄存器结 构相当灵活，可以配置为带同步异步复位或置位、时钟使能的触发器c r t , n i p f l o p ) ，也可以配置成为锁存器( l a t c h ) 。f p g a 一般依赖寄存器完成同步时序逻 辑设计。一般来说，比较经典的基本可编程单元的配置是一个寄存器加一个查找 表，但是不同厂商的寄存器和查找表的内部结构有一定的差异，而且寄存器和查 找表的组合模式也不同。例如a l t e r a 编程逻辑单元通常被称为l e ( l o g i c e l e m e n t ， 逻辑单元) ，由一个r e g i s t e r 加一个l u t 构成。a l t e r a 大多数f p g a 将1 0 个l e 有机地组合起来，构成更大功能单元逻辑阵列模块( l a b ，l o g i c a r r a yb l o c k ) ， l a b 中除了l e 还包含l e 间的进位链、l a b 控制信号、局部互联线资源、u j t 级联链、寄存器级联链等连线与控制资源。 所以器件选型是一个综合性问题，需要将设计的需求、成本压力、规模、速 度等级、时钟资源、i o 特性、封装、专用功能模块等诸多因素综合考虑。 ( 3 ) 嵌入式块r a m 目前大多数f p g a 都有内嵌的块r a m ( b l o c kr a m ) 。f p g a 内部嵌入可编 程r a m 模块，大大地拓展了f p g a 的应用范围和使用灵活性。f p g a 内嵌的块 r a m 一般可以灵活配置为单端口r a m ( s p r a m ，s i n g l ep o r t r a m ) 、双端口r a m ( d p r a m ，d o u b l ep o r t sr a m ) 、伪双端口r a m ( p s e u d od p r 气m ) 、c a m ( c o n t e n t a d d r e s s a b l em e m o r y ) 、f i f o ( f i r s ti nf i r s to u t ) 等常用存储结构。f p g a 中其实 并没有专用的r o m 硬件资源，实现r o m 的思路是对r a m 赋予初值，并保持 该初值。所谓c a m ，即内容地址储存器。c a m 这种存储器在其每个存储单元都 包含了一个内嵌的比较逻辑，写入c a m 的数据会和其内部存储的每一个数据进 行比较，并返回与端口数据相同的所有内部数据的地址。概括地讲，r a m 是一 种根据地址读、写数据的存储单元；而c a m 和r a m 恰恰相反，它返回的是与 端口数据相匹配的内部地址c a m 的应用也非常广泛，比如在路由器中的地址交 基于s o p c 技术的嵌入式摄像控制系统的研究 换表等。f i f o 戈箩先进先出队列”式存储结构。f p g a 内部实现r a m ，r o m ，c a m , f o 等存储结构都可以基于嵌入式块r a m 单元，并根据需求自动生成相应的 粘合逻辑( g l u el o g i c ) 以完成地址和片选等控制逻辑。 不同器件商或不同器件族的内嵌块r a m 的结构不同，a l t e r a 的块r a m 最 为灵活，一些高端器件内部同时含有3 种块r a m 结构，分别是m 5 1 2r a m ( 5 1 2 b i t ) ，m 4 kr a m ( 4 k b i t ) ，m r a m ( 5 1 2 k b i t ) 。根据设计需求，块r a m 的 数量和配置方式也是器件选型的一个重要标准。 “) 丰富的布线资源 布线资源连通f p g a 内部所有单元，连线的长度和工艺决定着信号在连线上 的驱动能力和传输速度。f p g a 内部有着非常丰富的布线资源，这些布线资源根 据工艺、长度、宽度和分布位置的不同而被划分为不同的等级，有一些是全局性 的专用布线资源，用以完成器件内部的全局时钟和全局复位置位的布线；一些 口q 做长线资源，用以完成器件b a n k ( 分区) 间的一些高速信号和一些第二全局 时钟信号( 有时也被称为l o ws k e w 信号) 的布线；还有一些叫做短线资源，用 以完成基本逻辑单元之间的逻辑互联与布线；另外，在基本逻辑单元内部还有着 各式各样的布线资源和专用时钟、复位等控制信号线。实现过程中，设计者一般 不需要直接选择布线资源，而是由布局布线器自动根据输入的逻辑网表的拓扑结 构和约束条件选择可用的布线资源连通所用的底层单元模块，所以设计者常常忽 略布线资源，其实布线资源的优化与使用和设计的实现结果( 包含速度和面积两 个方面) 有直接关系。 ( 5 ) 底层嵌入功能单元 底层嵌入功能单元的概念比较笼统，这里指的是那些通用程度较高的嵌入式 功能模块，比如p l l ( p h a s e l o c k e d l o o p ) 、d l l ( d e l a y l o c k e d l o o p ) 、d s p ，c p u 等。随着f p g a 的发展，这些模块被越来越多地嵌入到f p g a 的内部，以满足 不同场合的需求。目前大多数f p g a 厂商都在f t g a 内部集成了d l l 或者p u ， 硬件电路，用以完成时钟的高精度、低抖动的倍频、分频、占空比调整、移相等 功能。目前，高端f p g a 产品集成的d l l 和p l l 资源越来越丰富，功能越来越 复杂，精度越来越高( - - 般在p s 的数量级) 。这些时钟模块的生成和配置方法一 般分为两种，种是在h d l 代码和原理图中直接实例化，另一种方法是在职核 生成器中配置相关参数，自动生成p 。a l t e r a 的i p 核生成器叫做m e g aw i z a r d 。 另外可以通过在综合、实现步骤的约束文件中编写约束属性来完成时钟模块的约 束。 越来越多的高端f p g a 产品将包含d s p 或c p u 等软处理核，从而f p g a 将 由传统的硬件设计手段逐步过渡为系统级设计平台例如a 1 t e r a 的s t r a i i 】【，s t r a t i x 基于s o p c 技术的嵌入式摄像控制系统的研究 g ks t r a t i x 等器件族内部集成了d s pc o r e ，配合通用逻辑资源，还可以实现 灿t m ，m i p s ，n i o s 等嵌入式处理器系统。这些c p u 或d s p 处理模块的硬件主要 由一些加、乘、快速进位链、p i p e l i n i n g 和m u x 等结构组成，加上用逻辑资源和 块r a m 实现的软核部分，就组成了功能强大的软运算中心。这种c p u 或d s p 比较适合实现f i r 滤波器、编码解码、f f t ( 快速傅立叶变换) 等运算密集型应 用。f p g a 内部嵌入c p u 或d s p 等处理器，使f p g a 在一定程度上具备了实现 软硬件联合系统的能力，f p g a 正逐步成为s o p c ( s y s t e m o n p r o g r a m m a b l e c h i p ) 的高效设计平台。a l t e r a 的系统级开发工具是s o p cb u i l d e r 和d s pb u i l d e r ，通过 这些平台用户可以方便地设计标准的d s p 处理器。 ( 6 ) 内嵌专用硬核 这里的内嵌专用硬核与前面的“底层嵌入单元”是有区分的，这里讲的内嵌 专用硬核主要指那些通用性相对较弱，不是所有f p g a 器件都包含硬核( h a r d c o r e ) 。f p g a 和c p l d 为通用逻辑器件，是区分子专用集成电路( a s l c ) 而言的。 其实f p g a 内部也有两个阵营：一方面是通用性较强，目标市场范围很广，价格 适中的f p g a ；另一方面是针对性较强，目标市场明确，价格较高的f p g a 。前 者主要指低成本( l o wc o s t ) f p g a ，后者主要指某些高端通信市场的可编程逻辑 器件。例如，a l t e r a 的s t r a t i x g x 器件族内部就集成了3 1 8 7 5 g b i t s s e r d e s ( 串 并收发单元) 。 2 1 3i c 设计流程 一般来说，完整的i c 前端设计流程包括电路设计与输入、功能仿真、综 合、综合后仿真、实现、布线后仿真与验证、板级仿真验证与调试等主要步骤， 如图2 2 所示。 基于s o p c 技术的嵌入式摄像控制系统的研究 图2 - 2完整的i c 前端设计流程 2 2s o p c 技术 2 2 1 软核 在使用硬件描述语言设计复杂数字电路的过程中，最大的优点就是与工艺无 关性。这使得工程师在功能设计、逻辑验证阶段，可以不必考虑过多门级以及工 艺实现的具体细节，只需要在系统设计时，对芯片的要求施加不同的约束条件， 即可设计出实际电路。正是由于这种与工艺无关性，大大提高了v e r i l o g 或v h d l 模型的可重用性。把功能经过验证的、可综合的模型称之为“软核”，而把“软 核”构成的器件称为虚拟器件。 当然还有硬核和固核的概念，把某一种f p g a 器件上实现的，经验证正确的 基于s o p c 技术的嵌入式摄像控制系统的研究 电路结构编码文件，称之为“固核”。把在某一种a s i c 器件上实现的，经验证 正确的电路结构版图掩膜，称之为“硬核”。“1 显而易见，在具体实现手段和工艺技术尚未确定的逻辑设计阶段，软核具有 最大的灵活性，它可以很容易地借助e d a 工具与其他外部逻辑结合为一体。当 然由于实现技术的不确定性，有可能要做一些改动以适应相应的工艺。相比之下， 固核和硬核与其他外部逻辑结合为一体的灵活性要差很多，特别是电路的工艺技 术改变时更是如此。所以为了更好的设计更大规模的电路，发展软核设计和推广 软核的重要技术是非常有必要的。 在本论文中，采用的n i o si i 就是一个典型的软核，它可以很好的与外部逻 辑结合，实现一些比较复杂的电路。如果将n i o si i 软核作为口核嵌入到电路系 统中去，就实现了片上可编程系统( s o p c ) 。 2 2 2s o p o 技术5 1 微电子技术的近期发展成果，为s o c 的实现提供了多种途径。对于经过验 证而又具有批量的系统芯片，可以做成专用集成电路a s l c 而大量生产，而对于 一些仅为小批量应用或处于开发阶段的s o c , 若马上投入流片生产，需要投入较 多的资金，承担较大的试制风险。最近发展起来的s o p c 技术则提供了另一种有 效的解决方案，即用大规模可编程器件的f p g a 来实现s o c 的功能。 s o p c 技术是美国a l t c r a 公司于2 0 0 0 年最早提出的，并同时推出了相应的 开发软件o u a r t u s ，s o p c 是基于f p g a 解决方案的s o c ，与a s i c 的s o c 解 决方案相比，s o p c 系统及其开发技术具有更多的特色，孝句成s o p c 的方案也有 如下多种途径： 1 基于f p g a 嵌入口硬核的s o p c 系统 即在f p g a 中预先植入嵌入式系统处理器。目前最为常用的嵌入式系统大多 采用了含有a r m 的3 2 位知识产权处理器核的器件。尽管由这些器件