寧賽男，朱明，孫宏海，張葉

1.中國(guó)科學(xué)院航空光學(xué)成像與測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130033

2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100039

3.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所圖像室，長(zhǎng)春 130033

采用SRIO協(xié)議實(shí)現(xiàn)多DSP實(shí)時(shí)系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)傳輸

寧賽男1，2，3，朱明3，孫宏海3，張葉3

1.中國(guó)科學(xué)院航空光學(xué)成像與測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130033

2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100039

3.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所圖像室，長(zhǎng)春 130033

1 引言

實(shí)時(shí)圖像處理技術(shù)在目標(biāo)跟蹤、機(jī)器視覺(jué)等領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用。高分辨率高速圖像實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)量大、算法復(fù)雜度高等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)時(shí)對(duì)圖像數(shù)據(jù)的采集能力、處理能力、外部緩存性能容量以及系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸能力等提出了非常高的要求[1-3]。如何完成海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和處理是實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。隨著高性能DSP以及FPGA等處理器的發(fā)展，采用多個(gè)處理器并行處理是提高系統(tǒng)處理能力的有效途徑，因此系統(tǒng)中大量數(shù)據(jù)高速實(shí)時(shí)傳輸成為一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)[4-7]。

傳統(tǒng)的并行總線(xiàn)以增加總線(xiàn)的位寬和總線(xiàn)頻率來(lái)提高傳輸速度，這樣就造成了總線(xiàn)連線(xiàn)過(guò)多系統(tǒng)布局布線(xiàn)困難、時(shí)鐘與數(shù)據(jù)信號(hào)的信號(hào)完整性要求較高、對(duì)多處理器互聯(lián)困難等問(wèn)題。傳統(tǒng)并行總線(xiàn)越來(lái)越難以適應(yīng)嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，基于差分、源同步、時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)等先進(jìn)技術(shù)的串行互連方式是總線(xiàn)發(fā)展的必然趨勢(shì)。SRIO作為一種開(kāi)放式的嵌入式系統(tǒng)互連技術(shù)，已廣泛受到業(yè)界認(rèn)同[8]。本文提出了基于FPGA+4DSP架構(gòu)的高速實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用SRIO互連技術(shù)實(shí)現(xiàn)DSP間、DSP與FPGA間的高速數(shù)據(jù)傳輸。

2 RapidIO協(xié)議簡(jiǎn)介

2.1 RapidIO協(xié)議概述準(zhǔn)研制。2.1標(biāo)準(zhǔn)具有比1.3標(biāo)準(zhǔn)更多的端口模式選擇和更高的波特率[11-12]，表1是兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)間的比較。SRIO利用8b/10b編碼策略將時(shí)鐘信號(hào)嵌入到數(shù)據(jù)信號(hào)中，所以實(shí)際的數(shù)據(jù)帶寬是傳輸速度的0.8倍。而隨著SRIO發(fā)展，2012年SRIO提出了頻率更高的第三代標(biāo)準(zhǔn)，在新的標(biāo)準(zhǔn)中，單通道數(shù)據(jù)帶寬可以達(dá)到10 Gb/s。SRIO將多個(gè)端口配置多通道模式（如2x、4x），從而得到比1x模式更快的速度。SRIO支持全雙工傳輸，單通道由兩組差分信號(hào)4根信號(hào)線(xiàn)組成，分別用于數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，二者互不影響。

圖1 常見(jiàn)包格式

RapidIO最初是由Freescale和Mercury共同研發(fā)的，采用包含源同步時(shí)鐘的差分串行總線(xiàn)，具有帶寬高、延遲低、引腳少、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。RapidIO的提出解決了傳統(tǒng)總線(xiàn)技術(shù)造成的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的瓶頸，解放了傳統(tǒng)總線(xiàn)對(duì)時(shí)鐘和處理器數(shù)目的限制。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，RapidIO相繼推出了三代協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，獲得了幾乎所有的嵌入式系統(tǒng)芯片及設(shè)備供應(yīng)商的認(rèn)可和支持，并已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于電信、通訊以及嵌入式系統(tǒng)內(nèi)的芯片與芯片之間、板與板之間的互連。

RapidIO協(xié)議采用三層分級(jí)體系結(jié)構(gòu)，分別為邏輯層：定義了端口的全部協(xié)議、包的格式；傳輸層：定義了RapidIO地址空間和在端點(diǎn)器件間傳輸包所需要的路由信息；物理層：描述了器件級(jí)端口信息，如包傳輸機(jī)制、流量控制、電氣特性和低級(jí)錯(cuò)誤管理等[9-10]。

根據(jù)物理層的端口配置可以將RapidIO分為兩類(lèi)技術(shù)：并行RapidIO和串行RapidIO（Serial RapidIO，SRIO）。隨著技術(shù)的發(fā)展，并行RapidIO已逐漸被串行RapidIO所取代。SRIO作為一種開(kāi)放式協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，被廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)內(nèi)芯片間互連以及背板間的互連。

目前，SRIO實(shí)現(xiàn)多是基于RapidIO1.3標(biāo)準(zhǔn)和2.1標(biāo)

2.2 SRIO數(shù)據(jù)包

SRIO數(shù)據(jù)傳輸由包和控制符合組成，包是系統(tǒng)中短端點(diǎn)器件間的通行單元，提供終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備間進(jìn)行邏輯事務(wù)處理的端口；控制符號(hào)用于管理RapidIO物理層互連的事務(wù)流，也用于包確認(rèn)、流量控制和維護(hù)等功能。圖1是常見(jiàn)的包的格式。

destID和sourceID用來(lái)區(qū)分系統(tǒng)中的器件prio是包的優(yōu)先級(jí)，address、wrptr和xamsbs共同構(gòu)成了訪(fǎng)問(wèn)所需的地址信息，ext_addr是地址的擴(kuò)展段，使系統(tǒng)能夠訪(fǎng)問(wèn)更大的地址空間，CRC是包的校驗(yàn)段，Payload為有效數(shù)據(jù)載荷，最多為256字節(jié)，SRIO包開(kāi)銷(xiāo)少，數(shù)據(jù)有效率可以到達(dá)92%～94%。Ftype指示包的格式類(lèi)型，Ttype字段表明事務(wù)的具體類(lèi)型，兩者共同決定了包的類(lèi)型，表2是對(duì)SRIO常用的包及操作的說(shuō)明。SRIO操作是由請(qǐng)求和響應(yīng)事務(wù)組成的，事務(wù)則是由包組成的，常見(jiàn)的操作有：讀操作、寫(xiě)操作、維護(hù)、消息、門(mén)鈴等。SRIO系統(tǒng)傳送事務(wù)的過(guò)程為：發(fā)起者產(chǎn)生一個(gè)傳輸請(qǐng)求，請(qǐng)求包傳輸?shù)侥繕?biāo)方，目標(biāo)方根據(jù)請(qǐng)求完成響應(yīng)的操作后，發(fā)送相應(yīng)的響應(yīng)包傳回到發(fā)起方。發(fā)起者和目標(biāo)方可以是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直接互連也可以使用一個(gè)交換結(jié)構(gòu)進(jìn)行互連，使用交換結(jié)構(gòu)可以使系統(tǒng)中容納更多的端點(diǎn)器件，而不受其SRIO接口數(shù)量的影響。

表1 SRIO 1.3標(biāo)準(zhǔn)和2.1標(biāo)準(zhǔn)比較

表2 常見(jiàn)包的類(lèi)型

3 系統(tǒng)介紹

3.1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是能夠完成1k×1k@100 f/s 12 bit灰度圖像采集、傳輸，并要求系統(tǒng)能夠運(yùn)行復(fù)雜圖像處理算法。這樣高的要求就必須在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)系統(tǒng)的處理性能、緩存容量、傳輸帶寬等全面分析考慮。單個(gè)處理器的處理性能有限，采用多處理器并行處理是數(shù)字處理系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)。本文為此設(shè)計(jì)了基于FPGA+多DSP的通用圖像處理系統(tǒng)，使用4片高性能定點(diǎn)DSP TMS320C6455（簡(jiǎn)稱(chēng)C6455）和一塊XC5VSX50T FPGA（簡(jiǎn)稱(chēng)v5），圖2是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。四片DSP協(xié)同處理對(duì)16位數(shù)據(jù)的處理能力為38400M MAC/s，可以滿(mǎn)足大部分算法的計(jì)算要求，并且每個(gè)DSP都外接有1片DDR2 SDRAM，用來(lái)緩存圖像數(shù)據(jù)。

圖2 系統(tǒng)框圖

圖像采集由高性能的CCD攝像機(jī)完成，然后經(jīng)過(guò)Camera Link接口輸入到系統(tǒng)中。Camera Link信號(hào)分為串行通信信號(hào)、相機(jī)控制信號(hào)、視頻信號(hào)三部分，使用LVDS信號(hào)格式傳輸，需要專(zhuān)用芯片將其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后輸出28位數(shù)據(jù)和1路時(shí)鐘信號(hào)。由于C6455中沒(méi)有專(zhuān)用的視頻輸入輸出接口，Camera Link輸入的圖像數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)格式轉(zhuǎn)換和傳輸控制，將其轉(zhuǎn)換成C6455可接受的信號(hào)后輸入到DSP。這一過(guò)程則由FPGA完成，此外FPGA還可以對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理、實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備的通信以及對(duì)圖像顯示時(shí)的控制。

在解決了系統(tǒng)的計(jì)算能力和大容量圖像數(shù)據(jù)的緩存問(wèn)題后，如何實(shí)現(xiàn)DSP之間、DSP與FPGA之間的高速數(shù)據(jù)傳輸成為了一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。傳統(tǒng)的解決方案是通過(guò)EMIF進(jìn)行連接，但并不適合多處理器系統(tǒng)，這是由于實(shí)現(xiàn)EMIF需要數(shù)據(jù)總線(xiàn)、地址總線(xiàn)、時(shí)鐘、讀寫(xiě)使能、片選等控制信號(hào)，過(guò)多的信號(hào)線(xiàn)將造成布局布線(xiàn)上的困難，不利于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。以本系統(tǒng)為例，實(shí)現(xiàn)一片DSP和FPGA間EMIF互連就至少需要107根信號(hào)線(xiàn)（包括64位數(shù)據(jù)總線(xiàn)、25根地址總線(xiàn)、8根字節(jié)使能信號(hào)、4根片選信號(hào)以及其他控制信號(hào)新），實(shí)現(xiàn)4片DSP間以及DSP和FPGA間互連就需要更多信號(hào)線(xiàn)，這是對(duì)系統(tǒng)布局布線(xiàn)的一大挑戰(zhàn)。系統(tǒng)摒棄傳統(tǒng)的EMIF而采用了SRIO以直接的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)互連方式實(shí)現(xiàn)DSP之間、DSP與FPGA之間的數(shù)據(jù)傳輸。表3是單通道模式下SRIO與64位數(shù)據(jù)位寬的EMIF的比較，與EMIF相比SRIO的信號(hào)線(xiàn)數(shù)量少（僅需要4根）并且采用全雙工工作模式傳輸?shù)男矢摺?/p>

表3 單通道SRIO與64位EMIF比較

3.2 C6455 中SRIO實(shí)現(xiàn)

C6455是一款處理能力很高的新型高性能定點(diǎn)DSP，最高主頻可達(dá)到1.2 GHz，16位定點(diǎn)處理能力為9 600 M·MAC/s。C6455不僅是內(nèi)核的增強(qiáng)和運(yùn)算速度的提升，相比于之前的芯片，集成了豐富的外設(shè)，如PCI總線(xiàn)端口、千兆以太網(wǎng)端口、64 bit無(wú)縫外部存儲(chǔ)器端口、DDR2 SDRAM端口等，最重要的是增加了對(duì)SRIO支持的模塊。

3.2.1 SRIO模塊簡(jiǎn)介

C6455內(nèi)嵌了SRIO模塊，支持SRIO1.3標(biāo)準(zhǔn)，向下兼容1.2標(biāo)準(zhǔn)，擁有4個(gè)全雙工SRIO端口，支持1x/4x工作模式。SRIO數(shù)據(jù)傳輸與DMA傳輸結(jié)合，當(dāng)SRIO工作時(shí)，DMA以自動(dòng)方式啟動(dòng)，SRIO可以通過(guò)DMA方式直接對(duì)L2存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)，而不需要向CPU產(chǎn)生中斷。這樣就減少了中斷的數(shù)目，也減少了延時(shí)。圖3中（a）是C6455中SRIO的功能模塊的結(jié)構(gòu)圖。SRIO模塊主要由差分接收器（Rx）、差分發(fā)送器、8b/10b編解碼器、串行器、解串器、8位FIFO、通道對(duì)齊模塊、CRC校驗(yàn)?zāi)K等組成[13]。

3.2.2 SRIO操作實(shí)現(xiàn)

在RapidIO簡(jiǎn)介中，SRIO操作是通過(guò)包的傳輸完成的。C6455中SRIO支持兩種數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制：DirectIO和Message，這兩種傳輸機(jī)制可以通過(guò)配置相應(yīng)的控制寄存器實(shí)現(xiàn)。DirectIO是較為常用的傳輸方式，在DirectIO傳輸中，源器件對(duì)目標(biāo)器件的地址空間是可見(jiàn)的，可以支持事務(wù)操作包括：NREAD、NWRITE、NWRITE_R、SWRITE、ATOMIC、MAINTENANCE、DOORBELL。與之傳輸相關(guān)的寄存器有7個(gè)，為L(zhǎng)SU_Reg0～LSU_Reg6。其中LSU_Reg0～LSU_Reg5六個(gè)寄存器的狀態(tài)直接與SRIO包中數(shù)據(jù)段關(guān)聯(lián)，LSU_Reg6用來(lái)判斷事務(wù)是否完成，當(dāng)一個(gè)事務(wù)完成時(shí)，LSU_Reg6最低位為0。在進(jìn)行SRIO操作之前，用戶(hù)必須對(duì)SRIO進(jìn)行初始化，SRIO的初始化要完成相關(guān)模塊使能和配置，如SRIO模塊使能、PLL模塊使能、端口模式和速度設(shè)置、相關(guān)中斷的使能和設(shè)置等。圖3中（b）是C6455 SRIO初始化的流程圖。SRIO初始化可以通過(guò)設(shè)置相關(guān)寄存器完成，當(dāng)初始化完成并且SRIO鏈路建立時(shí)，端口錯(cuò)位和狀態(tài)寄存器SPn_ERR_STATE中的PORT_OK字段有效[14]。鏈路建立后，用戶(hù)就可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)各類(lèi)SRIO操作。

3.3 基于FPGA的SRIO實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)中使用到了Xilinx生產(chǎn)的Virtex-5系列FPGA，該系列FPGA具有更低的功耗、更快的速度、更豐富的邏輯單元和片內(nèi)存儲(chǔ)、更靈活的時(shí)鐘管理通道等優(yōu)點(diǎn)。Virtex-5內(nèi)嵌了24個(gè)低功耗的的收發(fā)器，可以實(shí)現(xiàn)100 Mb/s～3.75 Gb/s高速串行接口，為SRIO的實(shí)現(xiàn)提供了硬件支持。

Xilinx提出的SRIO解決方案是基于RocketIO實(shí)現(xiàn)的，RocketIO是Xilinx FPGA內(nèi)嵌的可編程高速串行收發(fā)器，是SRIO實(shí)現(xiàn)高速傳輸?shù)年P(guān)鍵，在Virtex5中稱(chēng)為GTP或GTX。RocketIO包括PMA（Physical Media Attachment，物理媒介適配層）和PCS（Physical Coding Sublayer，物理編碼子層）[15]。PMA中集成了SERDES、發(fā)送接收緩沖、時(shí)鐘發(fā)生器和時(shí)鐘恢復(fù)電路，主要用于串行化和解串。PSC子層負(fù)責(zé)8b/10b編解碼和CRC校驗(yàn)，并集成了負(fù)責(zé)通道綁定和時(shí)鐘修正的彈性緩沖。圖4中（a）是RocketIO的結(jié)構(gòu)圖。

Xilinx SRIO解決方案以RapidIO2.1標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，向下兼容1.3標(biāo)準(zhǔn)，可支持1x/4x工作模式，單通道最高頻率可達(dá)到3.125 Gb/s。結(jié)構(gòu)如圖4（b）所示，它由物理層核（Serial RapidIO Physical Layer Core，PHY）、邏輯傳輸層核（RapidIO Logical（I/O）and Transport Layer Core，LOGIO）、緩沖器核（Serial RapidIO Buffer Core，Buffer）和參考設(shè)計(jì)4個(gè)部分組成。物理層核負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)物理層功能包括包的控制符傳送、流量控制、錯(cuò)誤管理等；邏輯傳輸層核用于實(shí)現(xiàn)邏輯層和傳輸層功能包括事務(wù)組包、拆包等；緩沖器核緩沖數(shù)據(jù)，以便更有效地實(shí)現(xiàn)核的功能；參考設(shè)計(jì)包括時(shí)鐘控制（Clocks）、復(fù)位設(shè)計(jì)（Resets）和配置空間的存?。≧egister Manager），參考設(shè)計(jì)控制了整個(gè)核的工作和屬性設(shè)置。這些設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了SRIO協(xié)議內(nèi)容，而具體的數(shù)據(jù)的收發(fā)則是由RocketIO硬件結(jié)構(gòu)完成。

圖3 （a）SRIO模塊結(jié)構(gòu)圖

圖3 （b）SRIO初始化流程圖

圖4 （b）SRIO IP結(jié)構(gòu)圖

Xilinx SRIO解決方案中，直接與用戶(hù)相關(guān)的是邏輯傳輸層接口。用戶(hù)接口包含4類(lèi)端口：發(fā)起請(qǐng)求端口（Initiator Request Port），發(fā)起響應(yīng)端口（Initiator Response Port），目標(biāo)請(qǐng)求端口（Target Request Port），目標(biāo)響應(yīng)接口（Target Response Port），這些端口上的信號(hào)直接與各種SRIO操作相關(guān)，通過(guò)對(duì)這些端口進(jìn)行合理的配置就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

4 基于SRIO的圖像高速傳輸實(shí)現(xiàn)

4.1 實(shí)現(xiàn)原理

本文主要設(shè)計(jì)了FPGA和DSP中間的SRIO傳輸實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證SRIO功能。圖5（a）是實(shí)驗(yàn)的原理圖。SRIO主要支持兩種數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)制：一是直接存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)，可以通過(guò)讀寫(xiě)操作完成；另一種是消息，可以使用消息操作實(shí)現(xiàn)。由于讀寫(xiě)操作易實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)中主要使用寫(xiě)操作（NWRITE）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并且使用門(mén)鈴操作完成系統(tǒng)內(nèi)包括中斷控制等在內(nèi)的控制工作。

圖5中（b）和（c）分別是DSP和FPGA數(shù)據(jù)交換的具體流程。首先DSP向FPGA發(fā)送一個(gè)DOORBELL，F(xiàn)PGA接收到DOORBELL后開(kāi)始進(jìn)行圖像采集，然后再將圖像數(shù)據(jù)通過(guò)NWRITE操作發(fā)送給DSP。在圖像采集時(shí)，為了避免采集過(guò)快而造成的圖像丟失情況，使用兩個(gè)雙口RAM（DPRAM）以乒乓操作的方式對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存和輸出。FPGA每發(fā)送完一幀圖像，就向DSP發(fā)送一個(gè)DOORBELL，從而使DSP進(jìn)入中斷。在中斷服務(wù)程序中，可以對(duì)圖像進(jìn)行處理，也可以根據(jù)需要將圖像通過(guò)SRIO發(fā)送給其他的DSP或者FPGA。FPGA接受到處理后的圖像與外部通信，實(shí)現(xiàn)顯示、存儲(chǔ)等功能。在前面的介紹中可知，DSP的SRIO操作是直接與DMA相關(guān)的，所以當(dāng)FPGA向DSP發(fā)送圖像時(shí)，可以直接將發(fā)送的目標(biāo)地址映射為DSP中DDR2 SDRAM的地址區(qū)域，DSP在接收到NWRITE包時(shí)會(huì)以DMA的方式自動(dòng)將圖像存入DDR2 SDRAM的相應(yīng)區(qū)域，無(wú)需經(jīng)過(guò)CPU處理。所以，DSP在初始化時(shí)不僅僅需要對(duì)SRIO進(jìn)行初始化，還要對(duì)DDR2 SDRAM進(jìn)行配置。

圖5 （a）實(shí)驗(yàn)原理圖

圖5 （c）DSP流程圖

圖5 （b）FPGA流程圖

圖6 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

本次實(shí)驗(yàn)中CCD相機(jī)采集的圖像為分辨率為1 280× 1 024的8位灰度圖像，幀頻為74幀/s，時(shí)鐘為50 MHz；SRIO設(shè)置為單通道模式、傳輸速度為3.125 Gb/s。FPGA和DSP按照?qǐng)D5中的流程工作，用ChipScope抓取FPGA內(nèi)部部分信號(hào)，結(jié)果如圖7所示。

圖7 （a）兩塊DPRAM上的波形

圖7 （b）發(fā)送圖像波形

圖7 （c）接收?qǐng)D像波形

圖（a）反映了圖像數(shù)據(jù)在兩個(gè)DPRAM中緩存的過(guò)程，ChipScope采樣頻率為50 MHz，clka是寫(xiě)時(shí)鐘為25 MHz，clkb是讀時(shí)鐘為39.062 5 MHz。由于相機(jī)像素寬度為8位而SRIO的數(shù)據(jù)對(duì)齊方式為64位，為了方便數(shù)據(jù)的傳輸，將DPRAM設(shè)置為32位輸入64位輸出模式。每個(gè)DPRAM緩沖一行圖像即1 280B，使用兩塊DPRAM以兵乓操作的形式對(duì)圖像采集和傳輸進(jìn)行控制，wr_en_0和wr_en_1分別控制兩塊DPRAM的寫(xiě)使能。從圖中可以看出SRIO傳輸一行數(shù)據(jù)所需的時(shí)間要小于每行圖像采樣的時(shí)間，這就保證了圖像在采集不丟失，也為圖像的傳輸和處理提供了操作時(shí)間。

圖（b）是在FPGA發(fā)送圖像時(shí)抓取SRIO IP發(fā)起請(qǐng)求端口的信號(hào)圖，ChipScope采樣頻率為39.062 5 MHz。FPGA使用NWRITE操作發(fā)送數(shù)據(jù)（ftype=5，ttypt=4），ireq_data為發(fā)送的64 bit寬的數(shù)據(jù)，ireq_sof_n低有效，標(biāo)記了每個(gè)包的開(kāi)始，ireq_eof_n低有效，標(biāo)記了每個(gè)包的結(jié)束。在圖中所示的時(shí)間內(nèi)FPGA共發(fā)送了6行圖像，即6.25 KB數(shù)據(jù)，總的處理時(shí)間約為22 μs，圖像傳輸?shù)膶?shí)際帶寬約為284 MB/s。

圖（c）是FPGA接收?qǐng)D像時(shí)抓取的圖像，ChipScope采樣頻率為39.062 5 MHz。DSP通過(guò)向FPGA發(fā)送NWRITE包發(fā)送數(shù)據(jù)，treq_data為接收到的64 bit位寬的數(shù)據(jù)，NWRITE最大的有效數(shù)據(jù)載荷為256B，發(fā)送一行圖像數(shù)據(jù)需要5個(gè)NWRITE包，由于FPGA內(nèi)用作圖像緩存的RAM很少，因此DSP每發(fā)送一行圖像數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)送一個(gè)DOORBELL，為了將該DOORBELL與之前DSP發(fā)送給FPGA的采樣控制DOORBELL區(qū)分開(kāi)，可以給DOORBELL的信息字段賦予不同的值。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合實(shí)際工程中對(duì)圖像處理的高速實(shí)時(shí)要求，設(shè)計(jì)了基于FPGA+4DSP的硬件處理系統(tǒng)平臺(tái)，4片高性能DSP C6455的使用能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)處理速度的要求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到傳統(tǒng)的通過(guò)EMIF實(shí)現(xiàn)處理器間連接會(huì)造成制版時(shí)布局布線(xiàn)困難，使用了SRIO互連技術(shù)實(shí)現(xiàn)處理器件圖像實(shí)時(shí)傳輸。SRIO具有引腳少、開(kāi)銷(xiāo)低、速度快的特點(diǎn)，并且C6455和v5都對(duì)SRIO有很好的支持。實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)中SRIO能夠快速穩(wěn)定地傳輸數(shù)據(jù)，可以滿(mǎn)足1k×1k@100 f/s 12 bit灰度圖像采集實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊蟆?/p>

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NING Sainan1，2，3,ZHU Ming3,SUN Honghai3,ZHANG Ye3

1.Key Laboratory of Airborne Optical Imaging and Measurement,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China
2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,China
3.Image Lab,Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Academy of Sciences,Changchun 130033,China

The high-speed real-time usually has a huge number of data with intricate algorithms；therefore it is difficult to transmit the image data real-timely in the real-system.It is that acquisition speed and transmission speed and memory capability must be considered.In the traditional method,the image data is usually capture and transport through parallel interfaces,which possess lager areas and pins in the resource limited embedded system.A new platform of image processing system is advanced based on the Serial RapidIO（SRIO）interface with one Xilinx’s FPGA chip XC5VSX50T and four TI’s DSP chip TMS320C6455.The system can real-timely transmit the image data at a high very speed of 3.125 MB/s. Since its stability,portability and feasibility has been tested,the system can service as a reference model for such a real-time image processing system designs.

image processing;multi-DSP;Field Programmable Gate Array（FPGA）;Serial RapidIO（SRIO）

針對(duì)高速實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大、算法復(fù)雜度高等特點(diǎn)，從系統(tǒng)的處理性能、緩存容量、傳輸帶寬三個(gè)要點(diǎn)考慮，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA+4DSP架構(gòu)的實(shí)時(shí)圖像并行處理系統(tǒng)，使用SRIO互連技術(shù)取代傳統(tǒng)EMIF方式實(shí)現(xiàn)DSP間、DSP與FPGA中間的數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)傳輸帶寬峰值為312.5 MB/s，這種新的嵌入式實(shí)時(shí)圖像處理平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)采集傳輸處理1k?1k@100 f/s高分辨率圖像數(shù)據(jù)，并且具有可靠性高、通用性強(qiáng)、靈活性好的優(yōu)點(diǎn)。

圖像處理；多數(shù)字信號(hào)處理器；現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列；串行高速輸入輸出

A

TP752；TN911.73

10.3778/j.issn.1002-8331.1301-0146

NING Sainan,ZHU Ming,SUN Honghai,et al.Implementation of image data transmission in multi-DSP real-time system based on SRIO.Computer Engineering and Applications,2014,50（22）：73-78.

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金（No.60902067）；吉林省重大科技攻關(guān)項(xiàng)目（No.11ZDGG001）。

寧賽男（1990—），女，碩士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)閳D像處理；朱明（1964—），男，博士研究生，研究員，研究領(lǐng)域?yàn)閳D像處理、光電成像測(cè)量技術(shù)、電視跟蹤；孫宏海（1980—），男，博士研究生，助理研究員，研究領(lǐng)域?yàn)楦邘l數(shù)字相機(jī)和實(shí)時(shí)數(shù)字圖像處理；張葉（1981—），女，博士研究生，助理研究員，研究領(lǐng)域?yàn)閳D像處理。E-mail：nsn@mail.ustc.edu.cn

2013-01-14

2013-04-02

1002-8331（2014）22-0073-06

CNKI網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版：2013-04-09,http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20130409.1522.004.html