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內(nèi)嵌ARM核的FPGA芯片EPXA10及其在圖像驅(qū)動和處理方面的應(yīng)用
摘要：介紹了內(nèi)嵌ARM核的FPGA芯片EPXA10的主功能特點(diǎn)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作方式，通過其在圖像驅(qū)動和處理方面的應(yīng)用，體現(xiàn)了EPX10邏輯控制實現(xiàn)簡單、對大量數(shù)據(jù)做簡單處理速度快以及軟件編程靈活的特點(diǎn)。隨著亞微米技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)PGA芯片密度不斷增加，并以強(qiáng)大的并行計算能力和方便靈活的動態(tài)可重構(gòu)性，被廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域。但是在復(fù)雜復(fù)法的實現(xiàn)上，F(xiàn)PGA卻遠(yuǎn)沒有32位RISC處理器靈活方便，所以在設(shè)計具有復(fù)雜算法和控制邏輯的系統(tǒng)時，往往需要RISC和FPGA結(jié)合使用。這樣，電路設(shè)計的難度也就相應(yīng)大大增加。隨著第四代EDA開發(fā)工具的使用，特別是在IP核產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展下產(chǎn)生的SOPC技術(shù)的發(fā)展，使嵌入式RISC的通用及標(biāo)準(zhǔn)的FPGA器件呼之欲出。單片集成的RISC處理器和FPGA大大減小了硬件電路復(fù)雜性和體積，同時也降低了功耗、提高了系統(tǒng)可靠性。Altera公司的EPXA10芯片就是應(yīng)用SOPC技術(shù)，集高密度邏輯（FPGA）、存儲器（SRAM）及嵌入式處理器（ARM）于單片可編程邏輯器件上，實現(xiàn)了速度與編程能力的完美結(jié)合。本文所介紹的圖像驅(qū)動和處理系統(tǒng)正應(yīng)用了EPX10的這些特點(diǎn)，充分發(fā)揮了FPGA邏輯控制實現(xiàn)簡單、對大量數(shù)據(jù)做簡單處理速度快的優(yōu)勢以及ARM軟件編程靈活的特點(diǎn)。
1 內(nèi)嵌ARM核的FPGA芯片EPXA10及其主要特點(diǎn)
EPX10單片集成了ARM核、高密度的FPGA、存儲器及接和控制模塊，不僅簡化了ARM與FPGA之間的通訊，也使片外擴(kuò)展存儲器以及和外設(shè)通訊變得相對簡單；同時通過在FPGA中嵌入各種IP核和用戶控制邏輯可以實現(xiàn)各種接口和控制任務(wù)。這樣的高度集成化不僅大大加快了ARM與片內(nèi)各種資源的通訊速度，而且減小了硬件電路的復(fù)雜性、體積和功耗，真正實現(xiàn)了SOPC。
EPX10內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要分為嵌入式處理器和FPGA兩部分。
1.1 嵌入式微處理器ARM922T
EPX10嵌入式處理器部分集成了業(yè)界領(lǐng)先的32位ARM處理器（ARM922T），工作頻率可達(dá)200MHz；支持32位ARMv4T指令集和16位Thumb擴(kuò)展指令集；具有全性能的內(nèi)存管理單元以及8K的指令緩存和8K數(shù)據(jù)緩存，以支持實時操作系統(tǒng)（RTOS）、C語言和匯編語言。
1.2 高密度的FPGA
EPXA10片內(nèi)FPGA部分具有1000000門可編程邏輯、3MB的內(nèi)置RAM和512個可供用戶使用的I/O管腳，可以通過嵌入各種IP核實現(xiàn)各種標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)接口（如PCI、USB等）。
1.3 先進(jìn)的存儲支持
EPXA10嵌入式處理器部分集成了256KB單口SRAM和128KB雙口SRAM；同時集成了兩個先進(jìn)的存儲支持：（1）SDRAM控制器，用于控制單倍速/雙倍速不同控制進(jìn)序來確定的，實現(xiàn)起來非常復(fù)雜。有了SDRAM控制器的支持，只需要在Altera公司提供的EDA開發(fā)軟件Quartus II中設(shè)置好SDRAM工作所需的各種參數(shù)，就可以按照直接給出指令、地址和數(shù)據(jù)的方式對SDRAM進(jìn)行操作，控制器會自動將各種指令轉(zhuǎn)化成SDRAM所需的工作時序，大大降低了對SDRAM的控制難度。（2）從FPGA啟動。這種啟動方式需要將設(shè)計下載到片外E2PROM中，而且設(shè)計中可包含F(xiàn)PGA部分的應(yīng)用。啟動時FPGA為主動，ARM處復(fù)位狀態(tài)，配置完成后，如果有對ARM的應(yīng)用，則ARM解除復(fù)位，執(zhí)行軟件代碼；反之，ARM一直處于復(fù)位狀態(tài)。
圖3
2 EPXA10的工作方式
EPXA10嵌入式處理器部分提供了兩條32位AMBA微控制器總線AHB1、AHB2，分別用于片內(nèi)各種資源的通訊，如圖1所示�；贏HB1、AHB2總線，EPXA10的工作方式大致可分為三種：（1）ARM作為AHB1總線的主控，直接訪問HAB1總線的從屬資源。包括SDRAM控制器、片上SRAM、中斷控制器等。（2）ARM作為AHB1總線的主控，通過AHB1-2橋訪問AHB2總線上的從屬資源，包括UART、EBI、SRAM、Stripe-To-PLD橋等，同時通過Stripe-To-PLD橋?qū)PGA進(jìn)行訪問和控制。（3）FPGA通過AHB2的總線主控PLD-To-Stripe橋訪問AHB2總線上的從屬資源，包括SRAM、SDRAM控制器，UART等。
EPXA10片內(nèi)集成了軟件可編程鎖相環(huán)路（PLL），為微控制器總線及SDRAM控制器提供了靈活精確的時鐘基準(zhǔn)。
3 EPXA10在圖像驅(qū)動和處理方面的應(yīng)用
本文所述的圖像驅(qū)動和處理系統(tǒng)主要利用PPGA邏輯控制實現(xiàn)簡單、對大量數(shù)據(jù)做簡單處理速度快以及ARM軟件編程靈活的特點(diǎn)，系統(tǒng)框圖如圖2所示。在芯片F(xiàn)PGA部分，構(gòu)造了CMOS驅(qū)動模塊，驅(qū)動CMOS圖像傳感器使之能夠采集圖像數(shù)據(jù)。然后圖像數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)接收模塊存入片外SDRAM中，并經(jīng)串口傳入PC機(jī)，要將圖像數(shù)據(jù)在PC機(jī)中顯示成圖像，還需編寫基于CDib類的圖像顯示程序；同時將圖像數(shù)據(jù)經(jīng)芯片ARM部分的圖像處理算法（本系統(tǒng)采用Sobel算子）處理，處理后的圖像數(shù)據(jù)才能經(jīng)串口傳給PC機(jī)進(jìn)行顯示。為了驗證基于ARM的圖像處理算法實現(xiàn)的正確性，還將這一算法在PC機(jī)中進(jìn)行了實現(xiàn)，最后針對同一幅圖像，將兩種實現(xiàn)的結(jié)果進(jìn)行了比較。
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