（信息与通信工程专业论文）光学图象实时目标识别系统的设计与实现.pdf

闻防科学技术人学i i j 究q 二院学位论立 摘要 光学l 到象实寸i 二i 标谚 别系统要求在具有很高的数据处理能力的i i 提f 满足实 寸r q 要求。本文论述了光学图象实时f l 标谚 别系统从提出到设计实现的一个完枇 过科。所涉及到构领域既包括对算法的研究，也有关于硬件系统结构的论述。j i 钾：法结构的复杂性和所作处理种类的多样性，使得进行系统设计时所面对的问题j 仃定的曾遍性。木文丰要列如下儿个问题进行具体讨论： ( 1 ) 剥算法的研究羽i 改造。 ( 2 ) 采 h 怎样的处理结构使得系统能够满足现代数字处理中的复杂性和多丰y n 要求。 一( 3 ) 鲐法1 j 硬件资源的结合问题。 ( 本文内窬1 i 要以设计为主，具体实现为辅。重点讨论解决上述问题的般一p i ： 思路平 发点，同时对于实现l | j 一些较有新意的方法或比较重要的步骤也作了较为 弹细们说叫。 经过实际的联机调试，证明用d s p 与f p g a 配合组成的系统是成功的，州 时也蜕i 刃在设计巾运用的方法和策略有一定的指导意义。点 关键硼：直线提酬实时性系统结 影并行性和流水性，粒度，可咂 构 篇l l 硪 旧防l ： 学技术人学州究! e 院学位论史 a b s t r a c t r e a lt i m et a r g e tr e c o g n i t i o ns y s t e mo fo p t i c a li m a g eh a sc h a r a c t e r so fm u c hi n p u t d a t aa n dr e a lt i m ep r o c e s s i n g i nt h i sa r t i c l e ，w ed i s c u s st h ew h o l ec o u r s eo ft h es y s t e m f r o mt h ei n t r o d u c t i o nt od e s i g na n di m p l e m e n t i ti si n v o l v e dn o to n l yr e s e a r c h i n go l a l g o r i t h mb u ta l s od i s c u s s i n go f h a r d w a r ea r c h i t e c t u r e s o m ep r o b l e m si ns y s t e md e s i g n h a v es o m e w h a t c a t h o l i c i t y f o l l o w i n gp r o b l e m sa r em a i n l y d i s c u s s e d ： ( i ) ( 2 ) ( 3 ) r e s e a r c ha n dr e b u i l do fa l g o r i t h m h o wt o s e t u ps y s t e ma r c h i t e c t u r et os a r i s f yt h en e e d so fd i v e r s i t ya n d c o m p l e x i t yi nm o d e r nd i g i t a lp r o c e s s i n gs y s t e m i h e p r o b l e m o fa s s o c i a t i o no f a l g o r i t h ma n dh a r d w a r er e s o u r c e d i s c u s s i n go ns y s t e md e s i g ni sp r i o rt od e t a i l e di m p l e m e n ti nt h ea r t i c l e i tm a i n l y l b c u s0 1 1u n i v e r s a lw a y so f t h o u g h t o ns o l v i n gp r o b l e m sl i s t e da b o v e s o m en e wm e t h o d s u s e di ns y s t e mi m p l e m e n ta r ea l s og o tc l e a r l ye x p l a i n e d i ti sp r o v e dt h a tu n i t es y s t e mo fd s pa n df p g ai ss u c c e s s f u lb ya c t u a lt e s t i n g ，a n d i sa l s op r o v e dt h a tm e t h o da n ds t r a t e g yu s e di ns y s t e md e s i g nh a v ed e f i n i t ed i r e e t i v i t y k e y w o r d ：l i n ee x t r a c t i o n ，r e a lt i m ep r o c e s s ，s y s t e ma r c h i t e c t u r e ，p a r a l l e l i s ma n d p i p e l i n e ，g r a d e ，r e c o n f i g u r a t i o n 妊i i i 弧 k i t h 科学披术人7 ：l i j f j c 3 - 院学位论史 第一章概述 第一节快速目标识别系统提出的背景 1 1 系统的应玎背景 侦察系统在现代战争中的地位是非常重要的。俗话说，“知己知彼，百- 饯不 贿”。侦察与监视在战场上是指挥员制定战略决策和战术安排的重要依据，在和平 时j 9 j ，对敌列国家或敏感地区的侦察，关系到国家的安全和对外政策。著名的占巴 导弹危机就是成功运用侦察手段的典型例子。在这样的情况下，各国都非常重视侦 察手段的提高。目前，最有效的侦察手段莫过于卫星侦察了。卫星侦察具有覆盖面 私j j l 、安个性好、没有国界障碍等其它侦察手段无法比拟的优势。常用的卫星侦察 送仆二：模块 送往j e 它模 图1 1 详查普查结合型侦察系统中的 快速目标识别模块 方式是，卫星先在高轨以较低的分辨率进行粗查，在需要对某一地区获取更为详细 的资料时，先变轨到低轨再实施更为细致的侦察。这种方法的缺点主要是时效性不 强。卫星变轨一般需要几天的时间，而在战场上每一分钟都隐藏着巨大的变数，显 然，这种方式满足不了实际的要求。一种改进的办法是，采用两颗卫星，颗在高 轨，颗在底轨二者配合使用效果比较理想。但是这样组成的系统成本较商。详 查普查结合型卫星侦察系统就是为解决上述缺点而提出的研制方案。它包括一颗高 轨i j 星、一架具有两个不同分辨率镜头的相机以及详查普查转换的控制系统。其一” 分辨率商的镜头用于详查，分辨率低的镜头用于普查。通过切换镜头的方式来完成 分辨率的转换。镜头切换的时间只有儿分钟，这样就可以用一颗卫星来完成以i j - 两 颗的工作。其中i 柏耋普查转换的控制系统要求有个对普查图像进行快速目标识别 铀i 砸 闺防科学技术人学研究生院学位论文 的模块，存谚 别翻标的位胃后再切换柏机镜头、l 翊扫，来获取更为详细的照，；。 吲1 l 给j 7i 下杏普查结合型侦察系统的原理性结构。 l2 快速h 标识别系统的技术要求 许杏将杏结合型侦察系统i | i 的快速h 标谚 别模块实际i ：是一个子系统。对f i 标 u 别系统的要求，前先要具彳_ + 定的u 别率，为了保b i i 大系统的实时性，h 标谚 别 系统必须 有处理大数据量的能力。其次对体统的体积、功耗、稳定性等也有很高 的喽求。神：预研阶段，主要侧重于通过剥快速f i 标谚 j j 0 系统的实现来论证方案及技 术的i t j j 佻，因此，u 别系统：l ：要剥u 别率和实时性有较严格要求。具体的输入输 接i i 格式定义如下： 输入为2 0 4 8 x 2 0 4 8 大小的灰度图像，每一个像素灰度川8 位表示。 输入接口电路采用8 位4 2 2 并行接口。 输入数据时钟频率为i o m h z ，行同步频率为3 9 3 6 h z ，不设帧同步信号。 输出为有无目标的信息，如果有，给f 标坐标。输出接【j 采用r s 2 3 2 片 步串行1 9 。 误判概率：小于2 0 。 实| l 寸性：每帧图像判读时间小于0 5 7 秒。 第二节识别系统的结构框架及设计实现 2 i 系统处理的结构 输入的图像大小是2 0 4 8 2 0 4 8 ，识别一 i 不需要这样商的分辨率，因此先对图 像数据进行4 抽l 处理，即水平方向每4 个点抽取1 个点，垂直方向也是每4 行f i | i 取一行。所以实际上，我们是对5 1 2 x 5 1 2 的图像进行处理的。 数塑压函l 磊耻掣籼 i j i，一 图1 2 快速目标识别模块的 基本处理框图 系统处理的基本框图见图1 2 。首先对图像进行直线提取，然后在提出直线的 者圳i 上进行目标i ： 别。目标可以是机场、港口、雷达站等，这晕先只做机场的识别。 对瓿线的提取是对图像的最通用的、最基本的特征提取，通过对图像轮廓的直线化 近似，可以用较为简单的特征基元来组合成图像的基本内容。另一方面，我们仍然 第2 爽 闻防科学技术人学i i j f 究生院学位论文 利川特i i 瞄g 元刘标特征也进行简单的儿何抽缘，这就是i = l 标建模的过程。之后， 通过某种顺序的搜索，将图像i i | 的图像结构与目标模型建立j f 确的映射。这个搜索 过槲就是标谚 别的过程。 2 2 系统设计与实现中解决的问题 实时系统的设计与其它系统设计的着眼点有所不同，【l 于它把实时性放在首 位，【天l j l t 特别强调算法与硬件结构的匹配。在对快速目标谚 别系统的设计过程c h 需要一般的实时系统设计理论作为指导来解决总体性的问题，比如，采用怎样的系 统结构束适应算法处理的需要，如何有效地分配系统上各利，不同特点的资源等。相! 最终的实现l i ，需要解决一些具体的问题，i ：l s t j l ，从儿个方面着手来提高d s p 的 处理速度，采用怎样的方式实现f p g a 与d s p 问的数据传递等。实时目标识别系 统采川f p g a 与d s p 相结合的硬件结构来组成流水线多处理机的处理结构，最终 的联机调试证明，整个设计和实现是成功的，能够达到系统的指标要求。图1 3 给 原始圈 标输 同1 ：j 详查臀爸! i l ；合酗i | 标i 5 1 ) 5 i j 系统结构 了l i 标谚! 别系统的结构框图。 第三节本文内容及所做的主要工作 本篇论文基本上是按照从系统的设计到实现的先后顺序进行组织的。 笫二章对直线提取算法原理作了比较详细的介绍。 在第三章系统设计中，详细论述了三个方面的问题： 1 深入理解算法原理，对算法进行了适当的修改。主要目的是最大限度地挖 掘算法的并行性潜力，最终制定出了适合流水处理的算法结构。 2 对硬件结构进行论证，建立起适于算法实现的硬件结构。主要论述了 f p g a + d s p 组成的系统的优点。 第，弧 国防科学技术人学研究，院学位论义 3 钾洲：功能剑系统资源的l 映划。l ! ij 解决系统( i , j o j l l 部分宄成仆么功能f i j t ；, j 题。， 筇l j q 啦以j 蝌| 而地讨论了系统的典现。币点研究了利川f p g a 的可熏构特r i ： 来典现复杂函数功能及提高d s p 处理速度的方法。 j ：系统的集成不仅包括阿线提取，还：彳_ j h 标谚 别，需要全局考虑，所以放神 筇h 啦来- 丫l 独论述。 本文沦述的重点在第三章。主要通过对实时目标识别系统的世计进行详细的沦 氘来探讨实州信号处理系统设计的一般性思路和策略。 需要指山的是，整个系统的设计与实现具有柏当火的一i ：作量，作者不可能独r i 完成，实际i ：仅参与了一部分工作。j 川1 包括算法的改造、软硬件的划分、d s p 的编程实现和系统集成。 t 铝4 鞭 m 聃科学技术人学 i i i 究生院学位论义 第二章直线提取算法 r f 线提l 跌避冈像理解1 1 1 常j l 】的处邢之。陶像理解是研究用计算机系统解释 图像，实现类似人类视觉系统琊解外部l 业界的1 门科学。它是在图像处理基础j i 结 合人啤7 能与争家系统丽发展起来的门新兴学科。l i j 于它可使智能机器增添视觉 功能，和_ = 业与困防建 发等诸方面有着巨大的应用前景。在这直线提取方而的研究， 人们u 经取得r 些较为理想的提取方法。f 函i 就l i ：我们来逐步了解直线提取的力 泓i 。 第一节直线提取的般方法 图像巾线类型特征特别引人注目，它是视觉感知的重要线索，这些线类型特 征对应图像中特性“有意义”变化的地方，直线通常被定义为图像中位置连续的 局部边缘的集合。可见它有别于传统意义上的重鸶b 传统意义上的童缆茁亮度平而 卜表现为一个隆起，这星的直线强调的是“特性的变化”。例如，对于一般的灰度 图像来说，线类型特征对应1 ：目标的轮廓线或边界线；对于纹理特征为主的图像来 说，线类型特征贝0 对应纹理特性明显不同的两个区域的边界。 1 2 直线提取的一般步骤 直线提取虽然算法很多，但一般都可分两步： ( 1 ) 边缘检测 边缘这罩被定义为图像中亮度局部快速变化的点。它是反映灰度变化的基本 特征。凡是有明晴变化的地方都应该被检测到。常用的局部边沿检测算子有：梯度 算予、拉氏算予。其中梯度算子定义如下： 设图像的狄度函数为f ( x ，y ) ，x 和y 分别为像元所在的行与列的坐标，如果在 ( x ，y ) 处有边缘，利用f ( x ，y ) 在x 和y 方向上的变化率，可以算出其变化最快的方 向，即梯度方向。边缘的方向垂直于这个梯度方向。有关的方向导数、梯度幅度和 h 位的公式如”f ： a f ：o f c o s p + 亘 s i n 臼( 2 1 1 ) a 口a x 0 3 , 第5 ，f 日防科学披术人学f i j 究生院学位论文 n 彳= i v ，c z ，y ，i = l ( 罢) 2 + ( 影) 2l 2 川g ( 桨) 埘j ：数字图像，差分公式为： l ( x ，y ) = ( x ，y ) 一厂( x 一1 ，j ，) 厂，( x ，y ) = f ( x ，y ) 一l ，( x ，y 一1 ) 幽1 1 1 l iu f 简沽“i j 侈式表示： s o b e l 算予形式为 一11 ( a ) 一lf )l 一20 2 一l0l ( 驯厂r 梯度的幅度和角度分别为： 。1 1 ( b ) ， - 1 2 一l 000 12l ( b ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) f 2 1 4 ) m = | 正i + l i( 2 1 5 ) 0 = a r c t 8 ( 六 )( 2 1 6 ) 我们称0 为该边缘点的相位，m 为该边缘点的幅度。当m 值大于我们规定的 门限时，就说明该点的变化率足够大，该点就被检测到。反之，我们认为它不是一 个边缘。 如果用= 阶差分，则是拉氏算子。拉氏算子定义如下： 八咖磐o x + 警 ( 2 t ) 一c v 。 写成差分形式： 厶= 六( m ，y ) ) 一，t ( 厂( x - - | , y ) ) ( 2 1 8 ) = f ( x ，y ) + f ( x 一2 ，y ) 一2 f ( x l ，y ) 同理， 乙r2 厶( m ，y ) ) 一- ( m ，y 一1 ) ) ( 2 1 9 ) = f ( x ，y ) + f ( x ，y 一2 ) 一2 j ( x ，y 一1 ) 。i 懿蔷贞 叻科学技术人学i | j 究生院学位论文 j 成阳f i d l t , j 为 l 12i 一2 l ( a ) ，j 。( b ) 。 他衙 i ：意的足，_ 阶差分得m 的结果应该以判0 或厂l 。是否为0 来确定该点 址r r 址边缘。 边缘检测算予的特点是操作比较规则，而且操作也比较简单。通过统计分析 进行比较，这两类方法并无很大区别，而且可以组合使用。 ( 2 ) 边缘连接 边缘连接就是将检测到的边缘连接或编组成有意义的线特征。这是图像领域 - l 一+ 个j i t - 小i i i j 承要的i 勺容。据此可形成线的i t 层符号描述，从而使图像的表示更简 沽，可以j 】来完成一定的图像识别任务或为高层理解创造前提。由边缘形成线特征 也杆两个过程： 、 抽取出或滤出川以构成线特征的那些边缘。 一j 、 将滤出的边缘连接成直线或山一定的直线去拟合它们。 需要指出的一点是，这些过程与检测边缘所，1 j 的方法密切相关。例如，1 】 阶算子检测边缘，在连接或拟合之前，需要编组，细化，找出能代表此边缘区的 “真i r ”边缘。而用二阶导数过零点检测边缘，要做的是滤出有关边缘并按一定 规则连接之。常千j 的边缘连接的方法有：h o u g h 变换、相位编组、层次汜号编组等。 第二节相位编组算法 2 1 州位编组算法的一般步骤及特点 抽取线类型特征，无论对于描述目标或解释图像都是很重要的。在本系统【 i ， 直线的提取是对图像的最通用的、最基本的特征提取，在整个算法中属于中层处理。 而高层的机场目标的识别、军港目标的识别等都建立在中层的处理之上。提取出的 肖线质量的好坏直接影响到商层的处理效果。因此，选择一个较为稳健的直线提取 算法是决定整个系统性能好坏的关键。 相位编组算法在众多的提线算法中是比较稳健的一种，抗噪性能较好。相位编 组算法是针对大多数边缘和宜线提取算法的两个弱点提出的：一是大多数算法是以 某种方式利用灰度变化的幅度，以此作为局部边缘重要性的主要度量，这样往往检 摹7 翼 k l 防科学披术人学圳，c ，l 院学位论文 测 i i f j 弱刈比艘i 狄艘变化：址4 l ! x , j 边缘特征作郎决策之i 】 缺乏刘| 矧像- h 。i 棚1 勺个j 例! 解。b u m s 等人捉1 i j 年f 证编组方法不象人多数算法那样把灰度变化的 怩i 度作为置虑的第璎素，) 个特j _ 足：q i x , i 边缘i ：下文关系的个局组织，可以从 复自f | 0 i 斟像，i 一 | l d c “1 年1 i 当低剥比度f 内阿线。 棚何编绑l 算法最4 i 要的操作可分为如f 儿步： ( 1 ) 将梯度方向棚似的、卒问位置耳近的边缘编成边缘支持i 露哦，艋然 这个i 殳。域不受其体直线尺寸的限制。 ( 2 ) 山加权j i 7 h i i 近似灰发表面，川彳关像，己的梯度幅度值进行拟合：! j l j 权， 以使边缘最陡的部分起t 导作川。 ( 3 ) 从边缘支持区域和拟合平而提取属性，这些属性包括代表此区域的 l ! f 线及j cl 丈度、列比度、宽度、位置方向等。 要想存实时条件一f i u 处理机实现该算法，必须深入了解算法的精髓和要点， ，i ：n ：此基础上找到适于处理机实现的方法来。关- j ：朋i 位编组算法的详细讨论将神卟 i f | i 进 j ：。 2 2 相位编组算法实现步骤的细化及算法框图 槲位编组算法实际上也遵循一般的直线提取方法的步骤。边缘检测采用梯度 辫了 j 的s o b e l 算予： _ ! ：= ，b + l j ，一1 ) + 2 ，b + l 力+ ，u + l y + d 一厂( x i , y - 1 ) 一2 f ( x 一1 ，”一i ，u l ， 一= ，b i ，y + 1 ) + 2 i y + 1 ) + u + l ，y + 1 ) 一，b l ，y 1 ) 一2 厂( 置y 一1 ) 一九置+ 1 ，y 1 ) f 2 2 1 ) s o b e l 算二于月：的是3 3 的窗ii ，比起2 x 2 的窗口来，它起到了一定的平滑滤波的 作用，能够滤去图像中的高频噪声，但是同时也不可避免地降低了对图像细节检测 的能力。在得到六和 后，可以求出： 0 2 t g ( f 厂1 ) m - - i i + i 1 0 为该边缘点的相位，m 为该边缘点的幅度。山于复杂光源以及高频噪声的 存在，在边缘检测中，同属于一条直线的边缘在空间的分布并不很规律，它们的幅 度也不完全相同。如果过分依赖边缘的幅度进行直线编组，很容易导致找不到该直 线。棚协编组则幕于这样的假设：属予同一直线的边缘的幅度可以是差别较火的， 而它们的相位却比较一致。引立该与直线的延仲方向相垂直。所以将边缘的相位作 为直线编组的首要信息。另一个问题是在同一幅图像中，既存在细小的短直线， 躺羞贸 q 酗科学技术人学州宄q ：院学位论史 九迎人的范i l i l l j 也存 ，i i t i l 的k 缸线。f f 通的直线提取办法刘这种不同层次i ：的 r f 线很难兼顾。相位编组算法在进行直线编组的时候，先进行上f 文的组织，有效 地解决了提取不同层次h 的直线的问题，能够从复杂图像中提取出对比度相当低的 阿线。 m 彳 ： 到i 剥像的边缘后，将f ! ：7 ：罱棚邻、川何方向棚同( 或相近) 的边缘编为同 区域。但足这罩无法直接利用得到的口值进行惯用的区域生长技术，因为这样会导 致州位漂移现象。相位漂移的产生是由于虽然我们编组时能够保证局部范围内相邻 jl 、 3 2 7 、 n r ，弋1 。 s ，之) 、z8 ，6 7 。i 图2 1 固定分区法 点的十h 位的相近性，但在整个支持区内可能会因为误差的传递和积累，随着被归为 同i 爰域的点的增多，会f i ；现丌始加入的点l j 枷能值与新近加入的点的相位值越筹 越人的情况。一旦出现这种情况将导致灾难性后果。为了避免这种情况，b u r n s 的 算法中向我们介绍了一种叫角度固定分区的方法。将3 6 0 的圆周按每4 5 一个区， 共分成8 个区。口角落在哪个区里就将该点的方向标记为几。经过角度量化后的直 线只有8 种方向，而不同分区的边缘不可能被归为同一个直线区域，有效地避免了 十位漂移的现象。图2 1 是对圆周进行固定分区的示意图。但是当直线的法线方向 ( 也就是口的方向) e 好落在分区角度的边缘时就会发生断裂现象。比如一条法线 方向大约4 5 。的直线，组成该直线的边缘的相位有略大于4 5 的，也有略小于4 5 。 的。按照以上的分区，这条直线边缘的相位一部分落在2 区，一部分落在1 区。这 样就会使整个直线断成- 4 , 段- , b 段的。为了克服这一弊端，b u m s 又提供了一个 更完善的方法，叫角度重叠分区法。如图2 2 所示，就是进行分两次区。在原有分 区的基础上旋转2 2 5 ，正好与原有半个分区重叠。这样做就能保证任何角度的直 线都可以至少完全落在其中一种分法的分区罩。究竟一个边缘应该按照哪一种分 区，还要等到按照两套不同的分区分别组织直线区域的结果而定，一个边缘在不同 的分区f 会分别属于两个不同的直线区域。当其叫1 的一个直线区域大于另一个日j ， 我们就将该边缘最终确定为支持区域大的角度区。当所有的边缘都确定了最终的分 翦净翼 目防科学技术人学训究生院学位论史 jl 3 一产 5 v 父 l l i j l l j 。按照一i ：述原理进行编程，已经能够微 r 地住p c ，i j j i a _ 得到实现了，图2 6 给了砷嗣l 场图象的提取结果。得n l i “jf 线 原始幽象 捉线后的结果 图2 6在p c 机上得到的直线提取结果 结果十h 当令人满意。这种宝贵的经验可以帮助我们更细致地理解算法的思想，f ! _ i 不 能泔岜成为束缚思想的框框。只有在算法原理的基 i l l l j ：进行符合实际情况的修改， 才能得出适合专用处理机实现的方法来。 圈防科学技术人学i i 究生院学位论文 第三章。| 央速目标识别系统设计 第一节处理芯片的选取及硬件平台的建立 i 1 处理机结构的分类 列j ：确定f 来的算法，我们考虑用什么特点的器件以及采用怎样的硬什7 i ：连 结构。随着计算机系统结构的发展，小现了符种复杂程度不同、处理能力各异的计 钾机系统。有很多人用不同方法对计算机系统进行分类，f if i l l 常川的是1 9 6 6 年弗 林根据指令流和数据流对计算机系统进行分类的方法： ( 1 ) 单指令流单数据流s i s d s i s d 计算机通常由一个处理器和一个存贮器组成，他通过执行单一的指令流 刈m 。的数据流进行操作，指令是按顺序读取的，数据在每一时刻也只能读取一个。 它的弱点现而易见。那就是单片处理器处理能力有限，同时，这种结构也没有发挥 数据处理中的并行性潜力，所以在实时系统或高速系统中，很难再见到s i s d 的结 构。 ( 2 ) 啦指令流多数据流s i m d s i m d 计算机系统山个控制器、多个处理器、多个存贮模块和一个互连网组 成。互连网用来在各处理器和各存储模块问进行通信，由控制器向各个处理器“播 送”指令，所有“活动的”处理器在同一时刻执行一条指令，这就是单指令流， 但在每台处理器执行这条指令时所用的数据是从它本身的存储模块中读取的，所以 备处理器所处理的数据是各不相同的，这就是多数据流。实际中，s i m d 计算机主 要是指阵列处理机。阵列处理机一般采用细粒度并行，每个处理器功能简单，因而 n 】以做成比较大的阵列，其峰值运算能力很高，典型应用为图像处理，对于单个像 素或小邻域的图像信号处理( 如灰度变换、门限处理、滑动窗口滤波等) 是比较理 想的，因为这些处理要求在图像的每个像素上做相同的操作，与s i m d 的单指令 流多数据流相一致。缺点是对于每一个处理，一般都对应于一种特殊的s i m d 结 构。对于一个操作种类多的算法而言，当要求存取全局数据或对于不同的数据要求 做不同的处理时，s i m d 自身是无法独立胜任的。另外，s i m d 一般都要求有较多 的处理单元和极高的i 带宽，如果系统中没有足够多的适合s i m d 处理的仟务， 采川s i m d 是不合算的。 ( 3 ) 多指令流多数据流m i m d 第f ，孽( 闻胁年 学技术人学i i j i 究生院学位论史 m i m d 汁卯帆系统就灶通常所指的多处叫机，典型的m i m d 计算4 c j l i h 多台处 j l l1 4 jl ( 也禽处川! 器平控制器) 、多个存储模块和个互连网组成，每台处理机执行 l i 止f l , j j p , 令( 多指令) ，操作数也足符取各的( 多数据流) 。处理机问通过相互通信 进行联络，h - 1 ，互连网可以安排在两个不同级别| 二：系统级、处理器存储器级。 系统级r i 连盘图3 i 巾的( a ) ，这是松耦合多处理机系统，通常称它为多计算机系统。 神：这种系统一h 各台处理机都有自己的存储器。它的互连网仅用来进行处理机问的 通信，通信带宽较窄。在处理机存储器接n j ：进行互连如图3 1 中的( b 1 所示。 ( 8 ) 松耦合多处理机缔构 ( b ) 紧耦合多处理机结构 图3 1 多处理机结构 这是紧耦合多处理机系统。在这种系统r f l 各台处理机共享公用的存储器，存 储器可山多个模块组成。它的互连网络用来在处理 j f l p j 存储器之间传送信息，因而 通信带宽较宽。 m i m d 结构的处理器由于每个处理器都可以单独编程执行自己的指令，因而 这利结构的编程能力是最强的。可以适应不同利类的任务。但是为了解决处理器之 m 有效通信的问题，系统硬件和软件的设计都较复杂，特别是在高速实时条件下实 现起来有较人的难度。另外， f 于每个处理器都用大量的硬件资源解决可编程问题， 因此，硬件的利用率不高，一般用于中低速的实时处理比较合适。 从系统应用的角度考察上述各种传统的处理结构，没有一种是理想的，因为现 代信息处理系统往往是一个完整的复杂系统，需要完成许多不同种类的处理任务， 这蝼处理任务的算法千差万别。要在速度上满足实时性就势必要增强系统的功能， 对确定的算法设计出特定的硬件结构。另一方面，算法的复杂性使得单一的、特定 的硬件结构无法适用于所有的处理特点。通过简单增加系统的资源和采用复合式的 处理结构会使系统庞大而复杂，降低系统的效率。所以我们需要的系统应该在刁i 过 分扩大系统规模的前提下，结构上具有一定的灵活性以适应算法的复杂性，又要保 证所采j i j i t , j 系统结构具有高速的处理能力。f p g a 与d s p 足当今系统设i ；i 中的两 、铺1 4 页 司防科学技术人学研究生院学位论文 人热 。已 f fj 为系统设i i 抛f j ij 蜓多n 0 选扦力案。 1 2 儿类器什的特点分析 讯在数字信号和图像处理q 1 ，雏【成系统比较常用的器件一般是专用集成电 蹄、d s p 、呵编程a s i c 。 引”集成电路( a s i c ) 是指应特定川户的要求或特定电子系统的需要而设计生 产”的集成电路。a s i c 的概念提出于6 0 年代，成熟，r8 0 年代。它与通用集成i 【l 蹄 川比，柏构成i 乜予系统时具有以一f j l 个方而的优势： ( 1 ) 缩小体积、减轻重量、降低功耗 ( 2 ) 提高可靠性 ( 3 ) 易】：获得商性能 ( 4 ) 大批量应用时，可降低成本 i i | j 。乜足全定制的集成i u 路，研制牛广：的周期* i j 较长，只有形成大批量需求 的情况”f ，j 能降低成本。所以应用的领域一般是非常经典的信号处理和需要大规 模生产的地方。，”格来讲，波前阵也是一种专用处理电路。专用处理电路的缺点是 适用性差，不够灵活，对于一个复杂的系统很难完全由现成的专用集成电路来实现。 常常是只有一小部分的功能d i 专用处理电路完成，这样，虽然硬件在局部功能实现 i - 年i j j i j 率很商。但在全局上考虑，不定合算。如果需要设计实现专用集成电路， 成木高，周期氏。另外，也不适于系统的修改和升级。 d s p 是现代数字信号处理发展中出现的处理芯片。自1 9 8 2 年1 1 向市场推l j 第。叶d s p 芯片以来的十几年中，d s p 获得了迅速的发展。d s p 的性能和指标不 断提高，在图像处理、通信、精确控制等领域得至t j t ：。泛的应用。d s p 由于具有 较强的运算能力和丰富的i o 通信能力。特别适用于用于实时处理和对体积和功耗 有严格要求的场合。 现场可编程门阵列( f p g a ) 实际上是舀? 争用a s i c 的基础上发展出来的。它 1 i 仪克服了专用a s i c 不够灵活的缺点，而目相羽于软件处理速度来说，具有同 j 】a s i c 相近的速度。它是8 0 年代中期出现的一类新型用户编程器件。自1 9 8 5 年 l j 美团x i l i n x 公司首家推出后，受到啦界范围内电子设计师的普遍欢迎。并由此 得到迅速发展。目前，f p g a 的容量已经跨过了百万门级，加上v h d l 语言的推 广，与器件相配套的c o r e 同益丰富，设计人员可以有效地将c o r e 中提供的电 路用丁自身的系统设计，这使得f p g a 成为解决系统级设计的重要选择方案之一。 我们试图采用f p g a 与d s p 相搭配的结构来满足系统的各方面要求。f p g a 帮l ，斑 i 硐防科学技术人学研究生院学位论史 jc 4 0f l l 仑的优点m 1 ：，从； 什特点卜u l ：，：并+ 软硬，各有侧重。f p g a 的 处川迷j ! ：! ：秕逊0 川a s i c ，li ，j 仃定的灵i , r , - f l ! 。i ) s p 具有软什高度的可编程r i ： j 以充成人啦的通j i j 运算任务。d s pi ：寓的i 0 资源和f p g a 的可重构特性使组 成的系统结构具有相当强的灵活性和可扩展可以构成多种处理方式。 f l r i i 就来介纲fx c 5 2 0 0 和t m s 3 2 0 c 4 0 及其鲥l 成的系统。 l ： x i l i n x 公刊的x c 5 2 0 0 系列介绍 x i l i n x 公司的x c s 2 0 0 系列是为提供低成本的f p g a 系列设计的。与前三代比 较，盯 二采用新的工艺及结构设计的优化，硅片效能得到了很大提高，使得该系列 辅入输出块 卅 口曲口口口口口口口 口口口口口口口口口 图3 2x c 5 2 0 0 系列内部结构 成为5 0 0 0 到2 0 0 0 0 门密度范围可替代门阵列的低成本大容量器件。x c 5 2 0 0 系列 的逻辑和布线资源组合在一起形成灵活的多用功能块( v e r s a b l o c k ) ，通用布线通 过通用和线矩阵( g r m ) 接到多用功能块。i o 块和核心逻辑之间的接口也被重新 设计，i j i x t 多用环( v e r s a r i n g ) ，显著改善了器件边沿的布线条件。 罔3 2 是x c 5 2 0 0 系列的结构概貌。与x i l i n x 前三代f p g a 类似，x c 5 2 0 0 口口口口口口口口口 口口口口口口口口口 q 防科学技术人学州究生院学位论义 系列的逻辑和伽局和线资源身l 合f 1 1 起形成灵活的多功能块( v e r s a b i o c k ) ， 通川，nj 线通过通用钷线矩阵( g r m ) 接到多i 】功能块。i o 块和核心逻辑之 m 的接ii 也被重新设计，引入了多j 1 1 正i ：( v e r s a r i n g ) ，显著改善了器件边缘 f 门砷j 线条t i 。 1 多川功能块( v e r s a b i o c k l 结构见图33 ，多用功能块山包含四个逻辑单元( l c ) 的可构造逻辑模块 ( c l b ) 和围绕着可构造逻辑模块的局部! t 连资源组成。x c 5 2 0 0 系列r i t 组成 图3 3x c 5 2 0 0 系列多功能块结构 c l b 的四个l c 各包含一个四输入函数发生器( f ) 、一个可配簧为d 触发器 或锁存器的存储器件( f d ) 和一些控制逻辑。控制逻辑出快速实现算术函数 的进位逻辑组成，它也可以配胃为一个级联链，允许译码十分宽的输入函数。 侮个l c 有五个独立的输入和三个输出，但同一c l b 中的四个存储器兆享控 制信号。x c 5 2 0 0 系列的c l b 一共有2 0 个独立的输入和1 2 个独立的输出， 。| 面和下丽的两个l c 可以组合配簧成血输入函数发生器。围绕c l b 的局部 曩连有两种类型即局部互连矩阵( l i m ) 和直接连接。局部互连矩阵为c l b t i t 每个逻辑单元的输入和输出提供1 0 0 的连通性，同时还提供c l b 内部的 雏1 7 顼 同防科学技术人学删究生院学位论文 k 馈j j 】l 逆。u mo j 通川们j 线知! 阶( g r m ) 仃2 4 个双m 结点，通过它们水烈 1 3 j 通川f i 连之f u j f f , j 连接。岜接连接是$ l l 令l gc l b 之叫的专用快速传递 通道，何个c l b 彳1 i ：f 后7 i p q 个疗向i 择彳j 八根通j j 长线，使通用撕：连可以 川m 女人逻钔吲i 之州i 1 j h 连，提高了通川t i 连的效率。另一方而，局部砷i 线 资渊政瓣j f i g a 的结构粒度，使x c 5 2 0 0 系列成为细粒度年h $ t l 粒度的纰仑。 7 r 利j ：提商器什的逻辑利用牢，能够有效地按层次形式实现用，、的设i = 卜。表3 1 给，5 0 0 0 系列的一些参数。 器f ，i = x c 5 2 0 4x c 5 2 0 6x c 5 2 1 0x c 5 2 1 5 逻车 坼元 4 8 07 8 41 2 9 61 9 3 6 最大逻辑门6 0 0 0 1 0 0 0 01 6 0 0 02 3 0 0 0 多j 力能块 1 0 1 21 4 1 41 8 1 82 2 2 2 c l b1 2 01 9 6 3 2 4 4 8 4 触发； 4 8 07 8 4 1 2 9 6 1 9 3 6 i o 1 2 4 1 4 81 9 6 2 4 4 表3 1x c 5 2 0 0 系列f p g a 的些参数 多) j 功能块中还包括四个共享一根公共使能线的三态缓冲器，可直接驱 动水f 欧线，产生稳健的片内总线能力。 2 多川环( v e r s a r i n g ) 多1 j 坏i ii o 块到内部逻辑之f l j j 的一组互连单元纰成，每个多环单儿 包含多用功能块中除c l b 逻辑外的所有布线资源，并在一边一| 二与4 个i o 腿相连，另一边与相邻的c l b 端口直接连接。多用环在i o 块和核心逻辑之 n u 提供- 个接i j 使两者完全去藕，并沿器件边缘增加了都线资源，提供更 好的腿灵活性。 x c 5 2 0 0 系列的i o 块结构主要由输入缓冲区和输出缓冲区构成。它也包 含号j 1 的边界扫描逻辑以增加板级的可测性，但不包括输入和输出寄存器。 这种没汁允许在器件周围放置更大数目的i o 块，改善i o 与i 】的比率，同时 减少了何个i o 的成本。多用环的引入迸一步为高i o 需求的应用提供了可能。 它埔加的边沿布线资源消除了高逻辑利用率与 i j 腿饰局灵活性之问的矛盾， 给川户提供了在完成逻辑设计前预处理i o u 腿的能力。 3 通川斫i 线矩阵( g r m ) 辘i l 谢 罔防科学技术人学m 究生院学位论史 g r m 的功能类似rx c 3 0 0 0 、x c 4 0 0 0 系列i i l 的j 1 ：关矩阵，x c 5 2 0 0 系列 的、pkj 业线、双k 度线均通过g r mf i 连。，3 外，g r m 还提供多用功能块内 j _ 6 挪j 生线j 外部通川连线之m 的连接。 x c 5 2 0 0 系列的t f 连资源包括六个层次。它们是：单长度线；双k 度 线：阿接连线；k 线：局部伽线矩f 1 ：逻辑译元内部的反馈线。 1 10 4 0 绱构介纠 l m s 3 2 0 c 4 0 足，1 1 推出的第代为满足3 1 ： j ：处理需求的浮点型d s p 。它的性 能简篮介 “如f ： c p u 内部数据和地址均为3 2 位宽( 称之为字) 。有1 2 个通用寄存器、8 个辅 助寄存器、1 2 个专用寄存器。 6 个 锸速并行r _ i 可以最大与6 个c 4 0 实现t 连，具体特点如下：每一个通信l l 采川异步传输方式，设有输输h f i f o ，深度分别为8 个字。最大输输出速率 可达2 0 m b y t e s 。通过令牌传递可灵活实现数据双向传输，这科，结构很适合c 4 0 之 州的互连，但同时也给同其他接口相连带来了麻烦。 6 个d m a 通道。最大传输速率可达2 0 m b y t e s ，它可实现存储器中任两个缓 川爱问的快速数据搬移，也可以实现通信口到存储器之间的数据输输出。d m a l 勺部总线与c p u 的地址、数据、指令总线完全分丌，避7 i ：了总线使用上的瓶颈。 i i j 以i ：= | 动初始化，当需要反复使用d m a 时，无须c p u 干预，最大限度解放c p u 。 当外部时钟为5 0 m h z 时，内部以2 5 m h z 频率运行。所有指令均单周期完成。 支持啦周期的3 2 位浮点运算，硬件完成除法、平方根的倒数。支持字节和半字的 读操作。源代码与t m s 3 2 0 c 3 0 系列兼容。支持线性、圆周、位反转方式的寻址。 m 周期的跳转、函数潺用和返回指令。提供一定的并行指令执行能力。可重定位的 r e f ；e t 和巾断向甩表。 ：i j ! = 什内部的数据、d m a 、指令有各自的地址、数掘总线。两套相同的外部数 据、地址总线。可以支持局部存储器和全局共享存储器。其中包括如下特征：4 g 3 2 位宽的连续寻址空间。在共享存储器中，智能灵活的总线仲裁系统通过状态 脚来响应内存访问。 片一t - 分析模块支持高效的单步仿真。 片i ：有1 2 8 字的指令c a c h e ，2 k 字的r a m ，4 k 字的r o m 。 除此之外，还有丰富灵活的中断资源和两个1 6 位定时计数器。 支持高级语爵c 源代码的编译凋试丁具。 赫l 孽饕 闷防科学技术人学i i j i 究q 二院学位论文 d s p ( m o t o r o l a ) a d s pt m s 3 2 c 处川! 器类型 9 6 0 0 2 5 6 1 5 62 1 0 2 0 2 1 0 1c 3 0 c 4 0c 5 0 ：长( b i t ) 3 21 63 21 63 23 21 6 指令用j | j ( n s ) 5 05 05 06 03 32 55 0 1 0 2 4 汀t if i ：t 1 0 4 2 3 3 0 ，9 62 0 72 3 61 9 33 4 2 叫问( m s ) 表3 2常j 玎微处理器划照表 丧3 2 给f n 了c 4 0 与其它d s p 的比较。需要指出的是，d s p 产i u l 的更新t