（电子科学与技术专业论文）基于fpga的嵌入式视频监控跟踪系统研究.pdf

r e s e a r c ho fe m b e d d e dv i d e os u r v e i l l a n c ea n dt r a c k i n g s y s t e mb a s e do nf p g a at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i n p a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y y a o y u n c h e n g ( e l e c t r o n i cs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) t h e s i ss u l p r o f e s s o rt a nkeil3esls s u p e r v i s o r ： r o t e s s o r1a nk e lu n j u n e2 0 1l 6舢6咖8川598 川ii 哪y 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文竺基王壁坠的邀厶式褪题堕撞退跬丕统硒窒：。除论文 中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公 开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：理掣幽 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 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计中的图像采集、帧图像缓存和图像v g a 显示控制部分采用纯硬件方法，这样大 大减少了软核处理器的处理负担，使系统具备了较高的实时性和可靠性。 关键词：f p g a ；s o p c ；跟踪定位；图像处理 英文摘要 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，v i d e om o n i t o r i n gs y s t e mi s w i d e l yu s e di nt h ep r o d u c t i o na n d l i v i n gq u a r t e r s p e o p l eu s u a l l yk n o wt h ei n f o r m a t i o no fm o n i t o r i n go b j e c t sb yv i d e o m o n i t o r i n gs y s t e mw i t h o ma r r i v e da tt h es c e n e ，a n di tm a k et ot a r g e ts t a t e sj u d g m e n t a n dc o n t r o lc o m et r u eb ya d dt h et r e a t m e n ta n dc o n t r 0 1p a r t t h ed e s i g nt ov i d e os u r v e i l l a n c ea n dt r a c k i n gs y s t e mb a s e do nf p g aa st h et h e m e f o rr e s e a r c h v i d e oc o l l e c t i o n , c a c h ea n dt h ef l m c t i o no fi m a g ep r o c e s s i n ga r e i n t e g r a t e di n t oas m a l ls i z ee q u i p m e n t s c o m p a r e db yt h et r a d i t i o n a lt oa r ma st h e c o r eo ft h ee m b e d d e dd e s i g n ，i tc a nr e d u c e dd e s i g nc o s t ，m o r ef l e x i b i l i t yt od e s i g n c h a n g e sa n di m p r o v et h ep r o c e s s i n gs p e e db e c a u s eo ff p g ah a sh i g h e rp a r a l l e l p r o c e s s i n ga b i l i t y t h i sd e s i g nw i l ld ot h ef o c u so ni m a g es e n s o rc o n t r o l ，d e s i g no f i m a g ec a c h ea n di m a g ep r o c e s s i n gs o f t w a r ec o d ec o m p i l i n g f i r s t ，w r i t ei t sc o n t r o lc o d e w i t hv e r i l o ga c c o r d i n gt ot h ei m a g es e n s o rd e s i g nd e s c r i p t i o n s ，s oi tc a l lc o m p l e t e i m a g ec o l l e c t i o n t h e n ，d e s i g nm u l t i - p o r ts d r a mc o n t r o l l e rt of r a m ei m a g ec a c h e ，t h e o n ep o r ti so u t p u ts h o w ，t h eo t h e ri so u t p u tt on i o s l is y s t e m l a s t ，c r e a t et h es o p c p l a t f o r mo fi m a g ep r o c e s s i n gu s i n gt h es o p cc h a r a c t e r i s t i c ，w h i c hi sd e s i g nf l e x i b l e ， f u n c t i o nc a nc u t ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r ep r o g r a m m a b l ea n dg o o di n t e g r a t i o n a v a l o n b u sr e c e i v i n gm u l t i p o r ts d r a mc o n t r o l l e rs e n tt h ef l a m ei m a g e w r i t et h ec o d e t r a c k i n ga l g o r i t h mw i mc i nn i o si ii d ee n v i r o n m e n t t h i sa r t i c l ef r o mv i d e o m o n i t o r i n gs y s t e ma n di m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y d e v e l o p m e n th i s t o r yt os p e a ka b o u t t h es c h e m ed e s i g n , c h i ps e l e c t i o n ，c o d ed e s i g n a s p e c t so fd e t a i l e dv i d e om o n i t o r i n gt r a c k i n gs y s t e mi n t r o d u c e dt h ed e s i g np r o c e s s t h i sd e s i g nt a k e sc y c l o n e l ie p 2 c 7 0f p g aw h i c hi st h ep r o d u c t i o no f a l t e r a r e a l i z i n g f u n c t i o nc a l lb ed i v i d e di n t ot w op a r t sb a s e do nf p g a ，t h eo n ei ss o p cs y s t e mt h a t c o m p l e t ei m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m ，t h eo t h e ri sc o m p l e t ei m a g ea c q u i s i t i o n ，i m a g e c a c h ea n di m a g ev g a d i s p l a yc o n t r 0 1 t h ei m a g ev g ad i s p l a yc o n t r o lc o n t a i n sf i v e s t a t u r e sf u n c t i o nm o d u l e s ：m t 9 p 0 0 1i n i t i a l i z a t i o nm o d u l e ，i m a g ea c q u i s i t i o nm o d u l e ， i m a g ec o n v e r s i o nm o d u l e ，v g ai n t e r f a c ec o n t r o lm o d u l ea n dm u l t i - p o r ts d r a m c o n t r o l l e rm o d u l e i n t r o d u c e st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fm o d u l e sa n dg i v eo u tt h e s i m u l a t i v ew a v e f o r m i m a g ea c q u i s i t i o nm o d u l e ，i m a g ec o n v e r s i o nm o d u l ea n di m a g e v g ad i s p l a yc o n t r o lm o d u l ea r ea l la d o p tp u r eh a r d w a r em e t h o d ，r e d u c i n gt h eb u r d e n o ft h et r e a t m e n to fs o f tp r o c e s s o r sg r e a t l y , t h a tm a k et h es y s t e mh a st h eh i 曲r e a l t i m e a n dr e l i a b i l i t y k e yw o r d s ：f p g a ；s o p c l o c a t i o na n dt r a c k i n g ；i m a g ep r o c e s s i n g 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景及意义l 1 2 国内外研究现状与发展趋势2 1 3 课题研究目标与内容4 1 3 1 课题研究的目标4 1 3 2 课题研究的内容一4 第2 章f p g a 及s o p c 技术概述6 2 1 可编程逻辑器件6 2 2s o p c 技术简介7 2 2 1s o p c 技术特点7 2 2 2a v a l o n 总线结构7 2 3s o p c 开发工具及设计流程1 0 第3 章系统总体结构1 2 3 1 系统硬件结构及工作流程1 2 3 1 1 系统结构图1 2 3 1 2 系统工作流程1 3 3 2 系统器件选择1 4 3 2 1f p g a 芯片选择1 4 3 2 2 图像传感器的选择15 3 2 3 存储芯片的选择18 3 2 4 步进电机的选择1 8 3 3d e 27 0 开发系统介绍1 9 3 3 1u s bb l a s t e r 电路与主动串行配置器件2 0 3 3 2d e 27 0s d r a m 存储器电路2 l 3 3 3d e 27 0 时钟电路2 1 3 3 4d e 27 0v g ad a c 2 2 3 3 5d e 27 0f p g a i o 口分配2 3 第4 章系统各功能模块设计2 4 4 1m t 9 p 0 0 1 初始化2 4 4 2 图像采集模块2 6 4 3 图像转换模块。2 7 4 4v g a 接口控制模块31 4 5 多端口s d r a m 设计- 3 2 4 5 1f i f o 工作原理3 2 4 5 2s d r a m 基本操作原理3 4 4 5 3 多端口s d r a m 总体设计3 5 第5 章s o p c 系统的构建4 1 5 1 定制基于a v a l o n 的用户外设4 1 5 2 构建s o p c 系统4 6 第6 章运动目标的检测与跟踪4 9 6 1 图像的预处理 4 9 6 1 1 帧图像读取4 9 6 1 2 图像的灰度变换和中值滤波5 0 6 2 运动目标检测5 2 6 2 1 光流场法5 2 6 2 2 背景差分法。5 3 6 2 3 帧间差分法5 4 6 3 运动目标定位5 7 6 4 运动目标跟踪。5 8 6 4 1k a l m a n 预测。5 8 6 4 2 运动目标跟踪算法实现6 1 6 4 3 云台步进电机的控制6 2 第7 章系统调试与总结6 5 7 1 系统的资源利用情况。6 5 7 2 下载配置。6 5 7 3 系统的软硬件调试6 6 7 4 视频图像采集6 7 结论7 0 参考文献7 1 致谢7 4 研究生履历7 5 基于f p g a 的嵌入式视频监控跟踪系统研究 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 随着科学技术的不断发展和工业自动化水平的提高，人们往往不需要到达现场而通 过视频监控系统来实现实时了解监控对象的信息，在中间再加上处理和控制部分，还可 以实现对目标运动状态的判断和控制。近年来，随着社会的不断进步、国民经济的迅速 增长和国力的快速增强，电力、银行、安检、交通以及军事领域对安全防范和现场监控 报警系统的需求与日俱增，而且要求越来越高，视频监控设备在生产生活各个方面得到 了非常广泛的应用。视频监控系统正是在这样的背景下发展起来的。将数字视频技术和 不断发展的f p g a 设计理论结合起来行成了新兴的视频监控技术，具有高精度、高速性 和高效性等优点。 一个好的视频监控系统中是离不开数字图像处理的，数字图像处理涉及各种各样的 应用领域，得到了迅速的发展，它是集光学、数学、计算机科学、电子学、信息论、控 制理论和生理学等学科为一体的综合性科学。数字图像处理有很多优点，比如处理精度 高，再现性好、适用面宽、效果易于控制、灵活性好等【l 】。但是也有它的难点。 数字图像处理的难点： ( 1 ) 信息量大。数字图像处理的信息量大多是二维信息，是由图像矩阵中的像素 组成的。每个像素由红、绿、蓝三种颜色表示，每种颜色用8 位表示灰度级。一副没经 过压缩的1 0 2 4 x 7 6 8 的真彩色图像，数据量可高达2 m b 。庞大的数据量给数字图像的存 储、传输和处理都带来了困难。 ( 2 ) 处理费时。由于数据量大，处理所需要的时间多。如果处理一个像素需要1 毫秒，处理7 0 0 x 5 0 0 像素的数据就要花费将近6 分钟的时间。 ( 3 ) 数字图像受人的因素影响较大。经过数字图像处理之后的图像是给人观察和 评价的，由于人的视觉系统比较复杂，受视觉性能、环境条件、人的知识状况以及情绪 爱好的影响很大，因此图像质量的评价还有待进一步的研究。 a l t e r a 公司于2 0 0 0 年推出了能够配置到可编程逻辑器件之中的软核处理器系绀2 1 ， 它被称为n i o s 处理器。2 0 0 4 年，a l t e r a 公司又推出了升级产品- n i o s i i 软核处理器系统。 第1 章绪论 n i o s l i 软核处理器是一种3 2 位r i s c 嵌入式处理器，具有超过2 0 0 d i p 的性能，在低成 本的f p g a 芯片中的实现成本只有几美分。n i o s l i 软核处理器系统的最大特点是它是一 种软核、可配置的系统。可配置意味着处理器系统的组成和性能可以根据需要进行调整。 采用n i o s l i 软核处理器系统，设计者可以根据自己的想法来配置处理器系统，包括选择 合适的处理器内核、希望的外部设备，以及处理器与外部设备之间的接口。设计者还能 够在n i o s l i 软核处理器系统中集成自己专有的逻辑功能，如浮点运算电路、数字信号处 理( d s p ) 电路等。另外，使用n i o s l i 软核处理器系统进行应用系统设计可以从以下几 个方面来延长产品的生命周期。首先，在硬件方面，n i o s l i 软核处理器的目标器件为可 编程逻辑器件，它的可编程特性避免了专用集成电路设计制造周期长的缺点；在软件方 面，a l t e r a 公司提供了完整的开发软件、大量的设计参考和调试电路。其次，n i o s l i 软 核处理器系统的软核、可配置特点使得用户能够容易地对应用系统的硬件电路部分升 级。即使产品已经交给了用户，仍然可以方便地进行升级。最后，n i o s l i 软核处理器系 统可以方便地移植到新的可编程逻辑器件中。例如，当一个设计被确定，并且准备大批 量生产时，可以选择将它移植到a l t e r a 公司的h a r d c o p y ( 一种结构化的专用集成电路) 上，使成本降低。 s o p c 技术的出现以及大容量高速度的f p g a 的发展，为实时图像处理带来了一种 新的解决方案。在f p g a 的内部一般都有可以配置的嵌入式p l l 、r a m 、l v d s 、l v t t l 以及硬件累加器和硬件乘法器等模块 3 】。利用f p g a 来进行数字信号处理能够很好的解 决前面提到的数字图像处理的难点。而且f p g a 具有灵活的可配置特性，使其构成的 d s p 系统很容易修改以及调试 4 】。目前，应用于数字图像处理方面，已经有非常多而且 很成熟的i pc o r e ，例如，快速傅里叶变换、颜色的空间变换j 图像编解码等等。因此， 利用f p g a 来构建数字图像处理系统是非常好的选择。 随着f p g a 技术的不断发展和创新，使其在嵌入式系统领域中发挥着越来越重要的 作用。目前，利用f p g a 开发的嵌入式系统已经被应用于各行各业，例如，消费电子、 航天、医疗、通信等领域。因此基于f p g a 开发视频监控跟踪系统是非常有意义的。 1 2 国内外研究现状与发展趋势 基于f p g a 的嵌入式视频监控跟踪系统研究 视频监控系统发展了短短二十几年的时间，就有了翻天覆地的变化【5 1 。从技术角度 出发，视频监控系统主要经历了以下三个阶段： ( 1 ) 传统模拟闭路视频监控系统：依赖摄像机、录像机、缆以及监视器等专业设 备。例如，摄像机利用专用的同轴电缆来输出视频信号。通过缆连接到专用的模拟视频 设备，例如视频画面分割器、切换器、矩阵、卡带式录像机( v c r ) 和视频监视器等。 模拟闭路视频监控系统存在着大量的限制。 ( 2 ) 随着计算机的处理能力和处理速度的提高，基于p c 机的视频监控系统也随之 出现了。它主要由p c 机、视频采集卡、p c 机下构建的操作平台、模拟摄像机等组成。 大大提高了处理速度和图像质量。基于p c 机的视频监控系统的功能较强，但功耗高， 需要有人值守，且需要定时重新启动。 ( 3 ) 基于嵌入式技术的视频监控系统：伴随着嵌入式处理芯片( d s p 、a r m 、f p g a 等) 的不断发展，基于嵌入式技术的视频监控系统得到了人们的重视。将视频的采集、 图像转换、传输、外设控制等工作全部至于内部芯片。基于嵌入式的视频监控系统有功 能强、功耗低、体积小等优点。 随着d s p 芯片的计算速度和集成度的提高以及价格的下降，基于d s p 的视频图像 处理系统出现了。d s p 芯片成为了脱机视频系统的主流芯片。虽然基于d s p 的视频图 像处理系统效果非常好，但是设计不是很灵活。近年来，高速度、大容量的f p g a 以及 s o p c 技术的出现，为视频图像的处理和采集又提供了新的设计方案。在f p g a 中嵌入 了可配置的p l l 、乘法累加器、r a m 等功能模块。再加上a l t e r a 公司提供的一系列图 像处理i pc o r e ，从而构建一个视频图像处理系统就更加简单而快速了，而且，利用f p g a 构建的系统非常容易修改测试和升级。 综上所述，利用f p g a 来实现视频监控跟踪系统能充分发挥f p g a 的可编程特性和 强大的处理能力。再利用s o p c 技术，充分发挥了其可配置的灵活性，运用现有的大量 i pc o r e 和自己设计的外围设备i pc o r e ，大大减少了设计周期。因此，利用f p g a 和s o p c 技术来实现视频采集和跟踪算法是有它独特的优越性和现实意义的。 第1 章绪论 1 3 课题研究目标与内容 1 3 1 课题研究的目标 对整个视频监控跟踪系统进行需求分析，明确系统的功能。由于本系统需要对图像 进行采集、变换、处理和实现跟踪算法。因此系统有很大的数据处理量，如果处理速度 跟不上，就会影响整个系统的实时性效果。因为用f p g a 进行数字电路设计时，可以将 算法固化为硬件结构，提高了数据处理速度，从而满足快速的、高精度的图像处理要求。 本设计对于图像的采集、变换、显示、缓存等功能全部由f p g a 硬件逻辑来实现。而构 建的s o p c 系统的作用只是用来对采集来的缓存帧图像进行接收和进行图像处理实现跟 踪算法，从而大大减少了n i o s l i 软核处理器的处理负担，提高了系统性能。 本设计希望达到的效果是在试验系统下能够独立完成对图像信息的采集、运动目标 的跟踪和图像的显示。 1 3 2 课题研究的内容 首先对系统进行需求分析，选择系统所需要的主要器件，如c m o s 图像传感器、 f p g a 芯片、云台电机等。 然后进行系统的总体设计，在设计之前要对视频监控系统的发展历史和国内外研究 现状进行分析，收集相关的设计资料和一些成型的视频监控公司的产品设计说明，提出 设计的总体解决方案。利用a l t e r a 公司的q u a r t u si i 软件，对系统的各功能模块进行设 计和仿真。利用s o p c 技术，根据系统的设计需要定制相应功能的口核，并添加n i o s l i 软核处理器、存储器、显示、云台控制等结构，从而构建成一个的嵌入式系统。在n i o s l i i d e 中对图像跟踪算法进行软件代码编写。将各个功能模块进行连接，形成一个完整的 顶层设计，对系统的软硬件进行调试，最终使系统实现预想功能。 最后进行论文的撰写，论文共分为七章。 第一章绪论，对课题研究的背景及意义、国内外研究现状和课题研究的目标与内容 进行简要介绍。 第二章f p g a 及s o p c 技术概述，对可编程逻辑器件和s o p c 技术及其开发流程做 了简要介绍。 - 4 基于f p g a 的嵌入式视频监控跟踪系统研究 第三章从系统的硬件结构及工作流程讲起，对系统所需硬件和d e 27 0 开发系统进 行了简要介绍，阐述了系统的总体结构。 第四章对系统各功能模块的工作原理和设计过程做了详细介绍，并给出了仿真波 形。 第五章详细介绍了s o p c 系统的构建过程，包括外设p 核的定制和相关功能口核 的添加。 第六章对本设计采用的运动目标检测、定位、跟踪以及预测算法做了详细的介绍。 第七章系统调试与总结，对系统的软硬件进行调试总结，并给出了显示结果。 第2 章麟及s o p c 技术概述 第2 章f p g a 及s o p ( 技术概述 2 1 可编程逻辑器件 可编程逻辑器件( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，p l d ) 是一种半定制集成电路，在 其内部集成了大量的门和触发器等基本逻辑单元电路，用户通过编程来改变p l d 内部 电路的逻辑关系或连线，就可以得到用户所需要的电路设计。可编程逻辑器件的出现， 改变了传统数字电路的设计方法。采用p l d 进行的数字系统设计是基于芯片的设计或 者称为“自底向上”( b o o t o m u p ) 的设计方法。它可以直接通过设计p l d 芯片来实现数 字系统，把原来由电路板设计完成的大部分工作都放在p l d 中进行。这种新的设计方 法能由设计者根据实际情况和要求定义器件的内部逻辑关系和引脚，通过芯片设计实现 多种数字系统功能。同时，由于引脚定义的灵活性，不但大大减少了设计工作的工作量 和工作难度，提高了工作效率，还可以减少芯片数量，缩小系统体积，降低能耗，提高 系统的稳定性和可靠性【6 1 。 可编程逻辑器件从2 0 世纪7 0 年代发展到今天，已经形成了许多类型的产品，其结 构、工艺、性能和速度等都在不断的提高。可编程逻辑器件的发展经历了可编程只读存 储器( p r o g r a m m a b l er e a do n l ym e m o r y ，p r o m ) 、可编程阵列逻辑( p r o g r a m m a b l ea r r a y l o g i c ，p a l ) 、通用阵列逻辑( g e n e r i ca r r a yl o g i c ，g a l ) ，到复杂的可编程逻辑器 件( c p l d ) 以及现场可编程门阵列( f p g a ) 。早期出现的p r o m 、p a l 以及g a l 的 集成度较低，所以称为简单韵p l d 7 。 现场可编程门阵列( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，f p g a ) 是2 0 世纪8 0 年代出 现的可编程逻辑器件，它是由若干独立的现场可编程逻辑模块组成的，用户可以通过对 这些模块的编程来实现所需要的逻辑功能。通常，由f p g a 中可编程逻辑模块的排列和 门阵列( g a t ea r r a y ) 中单元的排列形式十分相似，因此使用了门阵列这个名称。前面 提到的可编程逻辑器件如c p l d 、g a l l 等器件都是基于乘积项的可编程结构，这种结构 是由可编程的与阵列与固定的或阵列组成的。而f p g a 使用的是另外一种可编程逻辑的 形成方法，即可编程的查找表( l o o ku pt a b l e ，l u t ) 结构，l u t 是可编程的最小逻辑 基于f p g a 的嵌入式视频监控跟踪系统研究 单元。大部分的f p g a 采用的基于s r a m ( 静态随机存储器) 的查找表逻辑形成结构， 就是用s r a m 来构成逻辑函数发生器 8 1 。 2 2s o p c 技术简介 2 2 1s o p c 技术特点 可编程片上系统( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ，s o p c ) 技术是美国a l t e r a 公司 于2 0 0 0 年最早提出的，同时推出了相应的开发软件q u a r t u s l i 。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 技术有更多的优点和特色 9 】。 s o p c 的构成方案也很多，如基于f p g a 嵌入口硬核的s o p c 系统、基于f p g a 嵌 入口软核的s o p c 系统和基于h a r d c o p y 技术的s o p c 系统等。这里介绍下基于f p g a 嵌入口软核的s o p c 系统。 基于f p g a 嵌入p 软核的s o p c 系统，这种方案克服了基于f p g a 嵌入口硬核的 s o p c 系统设计方案的很多不足之处，例如硬核p 来自第3 方公司从而提高了f p g a 器 件的价格、无法根据设计需要在同一f p g a 中使用多个处理器核、无法裁剪处理器硬件 资源以降低f p g a 成本等。 n i o s l i 是一款用户可配置的3 2 位软核处理器【1 0 1 ，它与常见的微控制器( 单片机) 是类似的，它们都是在一个芯片上包含了处理器、存储器、输入输出电路等功能模块。 现对于其它微控制器来说，n i o si i 软核处理器系统的最大的优点是它是一个软核，是可 以配置的。可以配置就意味着处理器系统可以根据需要进行调整。而且在同一个f p g a 中如果资源足够可以植入多个n i o si i 处理器。 2 2 2a v aio n 总线结构 a v a l o n 总线是s o p c 硬件系统中的重要组成部分，a v a l o n 总线规范是为开发s o p c 环境下外设而设计的。一个s o p c 系统包括一些主、从外设，例如微处理器、定时器和 u a r t 等等，系统为这些外设分配地址空间，而a v a l o n 总线规范给s o p c 设计者提供 了描述这些外设端口的基础 1 1 1 。 第2 章黜及s o p c 技术概述 a v a l o n 总线给外设端口与总线模块间的数据传输提供了一种互联模型。它定义了一 种可以配置的互联模型，允许设计者仅保留支持特定的数据传输模式所需的信号。它有 以下特点： ( 1 ) 总线逻辑资源使用优化：减少对可编程逻辑器件中逻辑单元( l e ) 的占用； ( 2 ) 同步操作：为同步的片上外设提供优化的接口，避免了复杂的时序分析问题， 方便与片上的用户自定义逻辑更好地集成； ( 3 ) 分开的数据、地址和控制总线：提供最简单的片上逻辑接口。通过使用专用 的地址和数据总线，a v a l o n 外设不需要对数据和地址周期进行译码； ( 4 ) 高性能：a v a l o n 总线可以在每个时钟周期内完成一次数据传输； ( 5 ) 最多1 2 8 位的数据传输：支持1 2 8 位的地址和数据通道。a v a l o n 总线支持2 的非偶数次幂宽度的地址和数据通道； ( 6 ) 动态地址对齐：如果要在数据总线宽度不一致的两个外设之间进行数据传输， a v a l o n 总线的自动地址对齐功能将自动解决数据宽度不匹配的问题，而不需要设计者干 预。 为了支持在a v a l o n 总线上进行各种数据传输模式，a v a l o n 总线规范定义了一系列 a v a l o n 外设所使用的信号类型，如a d d r e s s 、d a t a 、r e a d 、w r i t e 等，一个a v a l o n 外设可 以使用任意a v a l o n 信号来配合开发设计。表2 1 和表2 2 为a v a l o n 总线主从端口信号 列表。 表2 1a v a l o n 主端口信号 t a b 2 1a v a l o nm a s t e rs i g n a l s 信号类型方向接口名称 e l k i n p u t c l o c ki n p u t r e s e t i n p u t c l o c ki n p u t a d d r e s s o u t p u t a v a l o nm a s t e r r e a d o u t p u t a v a l o nm a s t e r 基于f p g a 的嵌入式视频监控跟踪系统研究 。一一“_ 表2 1a v a l o n 主端口信号( 续) t a b 2 1a v a l o nm a s t e rs i g n a l s r e a d d a t a i n p u t a v a l o nm a s t e r w r i t e o u t p u t a v a l 0 1 1m a s t e r w r i t e d a t a o u t p u t a v a l o nm a s t e r w a i t r e 圮l u e s ti n p u t a v a l o nm a s t e r t r qi n p u ti n t e r r u p tr e c e i v e r m y _ e x p o r t _ s i g n a l si n p u t ，o u t p u go rb i d i r c o n d u i t 表2 2a v a l o n 从端口信号 t a b 2 2a v a l o ns l a v es i g n a l s 信号类型方向接口名称 c l k i n p u t c l o c ki n p u t r e s e t i n p u t c l o c ki n p u t a d d r c s s i n p u t a v a l o ns l a v e r e a d i n p u t a v a l o ns l a v e r e a d d a t a o u t p u t a v a l o ns l a v e w r i t e i n p u t a v a l o ns l a v e w r i t e d a t a i n p u t a v a l o ns l a v e w a i t r e q u e s t o u t p u t a v a l o ns l a v e n - qo u t p u ti n t e r r u p ts e n d e r m y _ e x p o r t _ s i g n a l si n p u t ，o u t p u t ，o rb i d i r c o n d u i t 9 第2 章f p g a 及s o p c 技术概述 基本从端口读传输：这种传输是由a v a l o n 总线模块发起，根据外设数据端口的宽 度，每次从a v a l o n 从端口向a v a l o n 总线模块传输一个单元的数据。基本从端口读传输 没有延迟，一次基本从端口读传输在一个总线时钟周期内完成。 基本从端口写传输：与从端口读传输类似，它也是由a v a l o n 总线模块发起，每次 a v a l o n 总线模块向从端口传输一个单元的数据。一次基本从端口写传输是在一个总线时 钟周期内完成的。 由于不同的a v a l o n 主端口或者从端口使用不同的信号，因此不同的a v a l o n 端口具 有不同的传输能力。a v a l o n 总线规范定义了一些传输特性，一个a v a l o n 主端口或是从 端口可能支持这些特性中的一个或多个，这是与外设的设计相关的。 a v a l o n 总线规范定义了a v a l o n 端口所支持的总线传输特性有固定或可变的等待周 期( 仅限于从端口) 、带固定延迟或可变延迟的流水线传输特性、带建立时间和保持时 间的传输特性( 仅限于从端口) 、突发数据传输特性、流控制传输特性和三态传输特性 【1 3 】。上面提到的a v a l o n 端口的基本读写传输特性不具备以上传输特性，它是所有a v a l o n 总线传输的基础，为描述每个传输特性如何影响a v a l o n 端口和信号特性提供了一个参 考点。 2 3s o p c 开发工具及设计流程 n i o s l i 软核处理器系统的开发也类似于微控制器和可编程逻辑器件的开发，需要开 发软件和仿真平台的支持。a l t e r a 公司为此提供了n i o s i