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內(nèi)嵌ARM核的FPGA芯片EPXA10及其在圖像驅(qū)動(dòng)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(guò)其在圖像驅(qū)動(dòng)和處理方面的應(yīng)用，體現(xiàn)了EPX10邏輯控制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、對(duì)大量數(shù)據(jù)做簡(jiǎn)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(jì)算能力和方便靈活的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)性，被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。但是在復(fù)雜復(fù)法的實(shí)現(xiàn)上，F(xiàn)PGA卻遠(yuǎn)沒(méi)有32位RISC處理器靈活方便，所以在設(shè)計(jì)具有復(fù)雜算法和控制邏輯的系統(tǒng)時(shí)，往往需要RISC和FPGA結(jié)合使用。這樣，電路設(shè)計(jì)的難度也就相應(yīng)大大增加。隨著第四代EDA開(kāi)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(shí)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(chǔ)器（SRAM）及嵌入式處理器（ARM）于單片可編程邏輯器件上，實(shí)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(dòng)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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、對(duì)大量數(shù)據(jù)做簡(jiǎn)單處理速度快的優(yōu)勢(shì)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(chǔ)器及接和控制模塊，不僅簡(jiǎn)化了ARM與FPGA之間的通訊，也使片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器以及和外設(shè)通訊變得相對(duì)簡(jiǎn)單；同時(shí)通過(guò)在FPGA中嵌入各種IP核和用戶控制邏輯可以實(shí)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(shí)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）、C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言。
1.2 高密度的FPGA
EPXA10片內(nèi)FPGA部分具有1000000門(mén)可編程邏輯、3MB的內(nèi)置RAM和512個(gè)可供用戶使用的I/O管腳，可以通過(guò)嵌入各種IP核實(shí)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(chǔ)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(shí)集成了兩個(gè)先進(jìn)的存儲(chǔ)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(lái)確定的，實(shí)現(xiàn)起來(lái)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(kāi)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(duì)SDRAM進(jìn)行操作，控制器會(huì)自動(dòng)將各種指令轉(zhuǎn)化成SDRAM所需的工作時(shí)序，大大降低了對(duì)SDRAM的控制難度。（2）從FPGA啟動(dòng)。這種啟動(dòng)方式需要將設(shè)計(jì)下載到片外E2PROM中，而且設(shè)計(jì)中可包含F(xiàn)PGA部分的應(yīng)用。啟動(dòng)時(shí)FPGA為主動(dòng)，ARM處復(fù)位狀態(tài)，配置完成后，如果有對(duì)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。基于AHB1、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(wèn)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(guò)AHB1-2橋訪問(wèn)AHB2總線上的從屬資源，包括UART、EBI、SRAM、Stripe-To-PLD橋等，同時(shí)通過(guò)Stripe-To-PLD橋?qū)PGA進(jìn)行訪問(wèn)和控制。（3）FPGA通過(guò)AHB2的總線主控PLD-To-Stripe橋訪問(wèn)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(shí)鐘基準(zhǔn)。
3 EPXA10在圖像驅(qū)動(dòng)和處理方面的應(yīng)用
本文所述的圖像驅(qū)動(dòng)和處理系統(tǒng)主要利用PPGA邏輯控制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、對(duì)大量數(shù)據(jù)做簡(jiǎn)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(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)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(xiě)基于CDib類(lèi)的圖像顯示程序；同時(shí)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(yàn)證基于ARM的圖像處理算法實(shí)現(xiàn)的正確性，還將這一算法在PC機(jī)中進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，最后針對(duì)同一幅圖像，將兩種實(shí)現(xiàn)的結(jié)果進(jìn)行了比較。
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