基于FPGA的多軟核圖像處理系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計在Altera Cyclone II EP2C35F672C6芯片上實現(xiàn)多軟核系統(tǒng)，旨在利用FPGA芯片的并行處理結(jié)構(gòu)以及兩個Nios II軟核處理器間的并行處理和協(xié)作，提升數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的性能。

1 CSC MegaCore IP核

Altera視頻圖像處理組合是Altera公司提供的一組用于開發(fā)視頻和圖像處理的MegaCore IP核。這些MegaCore IP在涉及圖像處理和顯示的應(yīng)用中有著廣泛應(yīng)用。這些IP核的功能包括：顏色空間轉(zhuǎn)換、色度重采樣、伽瑪校正、二維FIR濾波器、二維中值濾波器等[1]。

顏色空間是在三維坐標(biāo)系下精確表示各種顏色的三維線性空間。不同的顏色空間采用不同的基色：RGB顏色空間采用紅、綠、藍(lán)三種顏色；CMY顏色空間采用青、品紅、黃三種顏色。不同的硬件設(shè)備使用不同的顏色空間，例如：計算機(jī)顯示器使用RGB顏色空間，數(shù)字電視使用YCbCr（亮度色度）顏色空間。將圖像數(shù)據(jù)在使用不同顏色空間的硬件設(shè)備間傳輸時，通常都需要進(jìn)行顏色空間的轉(zhuǎn)換[2]。顏色空間轉(zhuǎn)換(CSC)MegaCore提供了靈活且高效的方式將圖像數(shù)據(jù)從一個顏色空間轉(zhuǎn)換到另一個顏色空間。

在兩個不同的顏色空間進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換時，需要提供一個特定的、具有12個系數(shù)的轉(zhuǎn)換矩陣。該矩陣中的系數(shù)由進(jìn)行轉(zhuǎn)換的兩個顏色空間決定。例如：din_0、din_1、din_2為被輸入的像素在原顏色空間下的坐標(biāo)，[x0，x1，x2，…，x11]為轉(zhuǎn)換矩陣的系數(shù)，dout_0、dout_1、dout_2為輸入像素經(jīng)轉(zhuǎn)換后在目標(biāo)顏色空間下的坐標(biāo)，則計算方法如下：

dout_0=x0×din_0+x1×din_1+x2×din_2+x3

dout_1=x4×din_0+x5×din_1+x6×din_2+x7

dout_2=x8×din_0+x9×din_1+x10×din_2+x11

2 CSC MegaCore IP核與Nios II系統(tǒng)的接口設(shè)計

本設(shè)計的CSC MegaCore IP具有兩個Avalon端口：一個只寫的Avalon從端口，用于接收Nios II軟核處理器通過Avalon總線傳來的輸入數(shù)據(jù)；另一個Avalon主端口，將經(jīng)過CSC MegaCore IP處理后的數(shù)據(jù)通過Avalon總線寫到存儲器中。

完成上述兩個Avalon接口的功能，需要CSC MegaCore IP對外提供如下幾個必備的Avalon總線信號：reset、clock信號用于系統(tǒng)復(fù)位和時鐘信號；write、writedata信號用于只寫的Avalon從端口；write、writedata、address信號用于Avalon主端口（用于Avalon主端口和用于只寫的Avalon從端口的write、writedata是不同的信號，只是名稱相同）。

由于定制的CSC MegaCore IP沒有提供Avalon主端口需要的address信號，所以在本設(shè)計中需要增加地址生成邏輯功能。增加該功能有兩種方式：第一種方式是對由定制自動生成的CSC MegaCore IP的頂層設(shè)計進(jìn)行更改，在CSC頂層設(shè)計文件對外提供的接口中增加address信號，并且在CSC頂層設(shè)計文件中加入生成address信號的VHDL代碼。另一種方式是用VHDL語言實現(xiàn)一個接口，CSC MegaCore IP只向該接口提供與應(yīng)用相關(guān)的信號，address信號由在該接口設(shè)計文件中的VHDL代碼生成。

本設(shè)計對兩種設(shè)計方案都進(jìn)行了嘗試，最終采用了第二種方法。因為單獨設(shè)立一個接口一方面可以解決address信號的生成問題，另一方面設(shè)立該接口文件可以使設(shè)計的層次更加清晰且具有靈活性和通用性。

設(shè)立這樣一個接口后，可以將該接口封裝為SoPC自定義組件加入Nios II系統(tǒng)中。這樣，CSC MegaCore IP就成為了Nios II系統(tǒng)的外圍組件，在設(shè)計中與Nios II系統(tǒng)處于同一個頂層。而且，由于Altera視頻圖像處理組合中其他的IP核都具有與CSC MegaCore IP相似的對外接口[1]，這樣一個接口的設(shè)立也解決了Altera視頻圖像處理組合中其他的IP核與Nios II系統(tǒng)的連接問題。

3 多軟核系統(tǒng)的設(shè)計

目前，隨著業(yè)界對計算機(jī)芯片的組織和體系結(jié)構(gòu)研究的不斷深入，簡單地通過提高系統(tǒng)時鐘頻率、增加Cache容量以及處理器指令的超標(biāo)量化和流水化等方式實現(xiàn)系統(tǒng)性能提升的策略已經(jīng)到達(dá)了回報減小點。傳統(tǒng)方式對系統(tǒng)性能的提升遇到了瓶頸，有學(xué)者已經(jīng)指出，在單一處理器的條件下，系統(tǒng)性能的提高大致正比于復(fù)雜度提高的平方根[3]。

隨著SoPC技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計者普遍采用了一種新辦法來改善性能：在同一芯片上安排多個軟核處理器并帶有大的共享Cache。同一芯片上多個處理器的使用，亦稱為多核(multiple cores)。在FPGA中采用多個軟核處理器，根據(jù)時間和功耗要求劃分任務(wù)，可以更高效地利用器件的資源、提升器件的處理效率，從而提升系統(tǒng)整體性能。

硬件資源共享是多核系統(tǒng)的強大功能之一，在多核系統(tǒng)中最普遍的共享資源是存儲器。共享存儲器的數(shù)據(jù)從端口需要與共享存儲器的軟核處理器的數(shù)據(jù)主端口連接。如果某一處理器正在對共享存儲器的特定區(qū)域進(jìn)行寫操作，而同時另一個處理器正在對同一區(qū)域進(jìn)行讀或?qū)懖僮鳎瑒t很可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤。因此，在共享存儲器時需要通過使用Mutex核或Mailbox核通知其他處理器何時正在使用共享資源，以便處理器之間不會相互干擾。

圖1為本設(shè)計中兩個Nios II軟核處理器與共享存儲器的連接框圖。其中：SDRAM為共享的程序存儲器，用于存放兩個處理器的代碼；Flash存儲器為共享的啟動存儲器；On_chip_memory是利用片上資源實現(xiàn)的雙口RAM，在系統(tǒng)中是共享的數(shù)據(jù)存儲器，用于存放圖像數(shù)據(jù)。

由于兩個Nios II CPU使用同一個SDRAM作為程序存儲器，因此需要用SoPC Builder提供的存儲器分區(qū)功能來指定每個Nios II CPU使用的存儲器區(qū)域。SoPC Builder的分區(qū)功能使用處理器的異常地址來定義不同處理器之間代碼存放的分界，每個處理器的異常地址用來決定處理器代碼存放的基地址，其末地址由下一個異常地址或存儲器的末地址決定。每個Nios II CPU有5個主要的代碼段需要被鏈接到存儲器中，它們分別是： .text、.rodata、.rwdata、heap和stack段。在對程序存儲器分區(qū)時，必須為每個處理器的heap和stack段提供足夠的地址空間，否則heap和stack段可能溢出，進(jìn)而破壞處理器的代碼運行。

本設(shè)計中的兩個Nios II CPU還共享了一個Flash存儲器，作為啟動存儲器。與程序存儲器類似，在多Nios II軟核處理器系統(tǒng)中，每個處理器必須從自己獨立的存儲區(qū)域啟動，多個處理器不能從同一非易失存儲器的同一地址啟動。SoPC Builder對啟動存儲器提供了與程序存儲器類似的分區(qū)功能，用處理器的復(fù)位地址來定義不同處理器之間啟動代碼的分界。

在本設(shè)計中，多軟核系統(tǒng)的所有硬件資源通過SoPC Builder連接矩陣的互聯(lián)情況如圖2所示。Mutex核用于兩個Nios II CPU對On_chip_memory的互斥訪問。兩個Nios II CPU通過SoPC Builder中的連接矩陣與這些資源相連接，實現(xiàn)了資源共享。此外，本設(shè)計中每個Nios II CPU都有獨立的cpu_timer（計時器）、custom_comp（自定義CSC MegaCore IP接口）外設(shè)。

圖2 多軟核系統(tǒng)中硬件資源通過連接矩陣的互聯(lián)情況

Nios II IDE具有在片上對多處理器同時進(jìn)行調(diào)試的能力。Nios II IDE multiprocessor collection支持在FPGA片上對多軟核系統(tǒng)的軟件進(jìn)行調(diào)試。Nios II IDE下載軟件代碼到每一個處理器，然后運行軟件。在multiprocessor collection中不同處理器的啟動并不是在同一個時鐘周期開始的，只要一個處理器對應(yīng)的代碼下載完畢，該處理器就開始執(zhí)行代碼。

運行在兩個Nios II處理器上的軟件通過硬件Mutex核協(xié)調(diào)對共享片上數(shù)據(jù)存儲器的訪問。運行在兩個Nios II CPU上的程序各負(fù)責(zé)一半的圖像數(shù)據(jù)處理任務(wù)，并將處理后的圖像數(shù)據(jù)寫入共享數(shù)據(jù)存儲器中。最后由一個Nios II CPU將結(jié)果數(shù)據(jù)從共享緩存中讀出，并輸出到結(jié)果文件中。

此外，軟核處理器上運行的代碼通過Altera公司提供的Altera Host Based File System文件系統(tǒng)對存儲在計算機(jī)上的文件進(jìn)行讀寫操作。Altera Host Based File System文件系統(tǒng)與Altera Zip Read-Only File System只讀文件系統(tǒng)相比，可以對文件進(jìn)行寫操作，更加符合本設(shè)計的需求。加入Altera Host Based File System后即可在代碼中使用ANSI C對存儲在計算機(jī)上的文件進(jìn)行訪問，代碼如下：

FILE*fp_bin=NULL；

fp_bin=fopen(″/mnt/host/hostfs_read_binary.bin″，″r″)；

fread(buffer，1，BUF_SIZE，fp_bin)；

for(i=0；i P>

{

printf(″%X″，buffer[i])；

}

設(shè)計中進(jìn)行讀/寫的文件是BMP位圖文件。BMP位圖文件由四個部分組成：位圖文件頭、位圖信息頭、調(diào)色板數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)區(qū)。為了對設(shè)計進(jìn)行簡化，假設(shè)處理的BMP位圖文件為非壓縮且沒有調(diào)色板的位圖文件。在這類文件中圖像數(shù)據(jù)區(qū)開始于0036h，使用ANSI C中的fseek( )函數(shù)即可讀到圖像數(shù)據(jù)實體。

4 多核系統(tǒng)與單核系統(tǒng)的性能對比

由于本設(shè)計為多軟核系統(tǒng)，為了與單Nios II軟核系統(tǒng)進(jìn)行比較，在軟件設(shè)計中加入了監(jiān)測軟件執(zhí)行時間的代碼。對不同像素數(shù)的圖像進(jìn)行處理時，單核系統(tǒng)與多核系統(tǒng)的程序執(zhí)行時間如表1所示。

對表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，由于在多核系統(tǒng)中，CPU之間進(jìn)行通信需要一定的時間開銷，在待處理數(shù)據(jù)量不大時，如1 024像素，單Nios II軟核系統(tǒng)（單Nios II 軟核CPU帶一個CSC MegaCore IP)與雙Nios II軟核系統(tǒng)(雙Nios II軟核CPU帶雙CSC MegaCore IP)在處理耗時上的差別并不明顯。當(dāng)處理的圖像數(shù)據(jù)量增大時，雙Nios II軟核系統(tǒng)對性能的提升逐漸顯示，如圖3所示。

以一幅64×64的BMP位圖的處理時間為例，雙核系統(tǒng)的處理時間為3 961 ms，與之配置相同的單核系統(tǒng)的處理時間為4 656 ms，多軟核系統(tǒng)的性能提高約為15%。

經(jīng)過對Quartus II軟件綜合報告進(jìn)行分析，單核系統(tǒng)對FPGA片上的邏輯單元（LE）占用為17%，多核系統(tǒng)對FPGA片上的邏輯單元（LE）占用為27%，多占用了10%的邏輯資源。因此，可以說在設(shè)計中用器件的邏輯資源換取了程序執(zhí)行時間，而且系統(tǒng)性能的提升量是邏輯資源消耗量的1.5倍，達(dá)到了設(shè)計的預(yù)期目標(biāo)。

本設(shè)計基于FPGA實現(xiàn)了圖像顏色空間轉(zhuǎn)換的多核系統(tǒng)。利用SoPC Builder軟件完成硬件系統(tǒng)的搭建，成功地將硬件系統(tǒng)下載到DE2開發(fā)版，并且在軟件設(shè)計中實現(xiàn)了對共享數(shù)據(jù)存儲器的訪問控制以及程序執(zhí)行時間的監(jiān)測。為CSC MegaCore IP核與Nios II系統(tǒng)間設(shè)計的接口使得本設(shè)計具有一定的靈活性，CSC MegaCore IP核可以用Altera視頻圖像處理組合中的任一個IP核替換。

本設(shè)計利用多個軟核（包括兩個Nios II軟核處理器和兩個CSC MegaCore IP)并行對圖像進(jìn)行顏色空間的轉(zhuǎn)換。與單核系統(tǒng)相比較，多軟核系統(tǒng)性能有較大提高且沒有過多地占用邏輯資源。