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1、,The successs road,FPGA在视频图像处理领域的应用,联系方式,姚远 Email: ,内容安排,FPGA的特点、发展现状和主流技术 FPGA在视频图像处理领域的典型应用之信号采集 1 数据采集系统中FPGA的作用 2 视频信号采集系统的特点和设计方法 3 数据缓冲实现方案 FPGA与DSP芯片构成的协同平台在图像处理领域的应用 1 FPGADSP结构的优势和应用环境 2 FPGA与DSP的接口实现方案 华清远见FPGA培训课程,FPGA的特点、发展现状和主流技术 （1）特点一： 设计灵活 （2）特点二：缩短研制时间 （3）特点三： 体积小,性能高 （4）特点四：可靠性高 (5
2、）特点五：保密性好 主流厂家：Altera, Xilinx 代表芯片： Altera公司 Cyclone3/Stratix3系列 Xilinx 公司 Spartan3/Virtex5系列 主流工艺：90ns/65ns,可编程逻辑器件的种类,PROM（Programmable ROM）可编程只读存储器，单次写入，不能修改。 EPROM (Erasable Programmable ROM) 可擦除可编程只读存储器，早期的CPLD，红外线擦除。 E2PROM (Electronic Erasable Programmable ROM) 电擦除可编程只读存储器，普遍应用的CPLD产品。 基于SRAM
3、的FPGA，如Altera，Xilinx等 反融丝结构FPGA，如Actel，Quicklogic等 Flash结构FPGA，如Actel，Lattice等。,可编程逻辑器件的种类,PAL（Programmable Array Logic)可编程阵列逻辑 可编程的“与”阵列和不可编程的“或”阵列。 GAL(GenericArray Logic)通用阵列逻辑 可编程的“与”阵列和固定的“或”阵列。输出有输出宏逻辑单元。 CPLD(ComplexProgrammable Logic Devices)复杂可编程逻辑器件 结构以逻辑宏单元为基础，宏单元内部有ANDOR积项阵列 FPGA （Field
4、Programmable Gate Array）现场可编程门阵列 掩膜编程门阵列通用结构：由逻辑功能块排成阵列组成，并由可编程的互连资源连接这些逻辑功能来实现不同设计。 超大规模、高速、低功耗的新型FPGA/CPLD 集成了中央处理器、数字处理器内核，可以进行软硬件协同设计,FPGA的发展现状,两大FPGA厂商的代表产品,FPGA的典型应用(一),接口逻辑控制器 -提供前所未有的灵活性 ISA,PCI,PCI Express,PS/2,USB等接口控制器 SDRAM,DDR SDRAM, QDR SRAM, NAND Flash, NOR Flash等接口控制器 电平转换,LVDS,TTL,C
5、OMS,SSTL等,设计实例一：立体三维图像分配器,立体三维图像分配器 基本功能：将输入的立体视频（1024768,24bit60Hz）分成两路（奇数帧一路，偶数帧一路），每路的帧频仍然是60Hz。 设计分析： 1。 数据量。 一帧图像大小：102476824bit/3，大约2M Bytes。采用乒乓结构，需要2帧图像，至少要4M Bytes的存储器。 SRAM： 一般是512K比较普及，1M的比较贵了，4M的天价！ SDRAM： SDR和DDR价格很便宜，速度更快！ 2。 吞吐率。 输入：每帧2MB，每秒60帧，约120MB； 输出：每路约120MB，两路240MB； 同时输入，输出，累计的
6、数据吞吐率为360MB。如果采用8Bit位SDRAM，SDRAM时钟至少要达到360MHz！（不可能） 增加位宽到32bit, SDRAM时钟可以降低到90MHz，有可能！ 考虑系统升级和裕量，位宽设计位96Bit。,实物图片,FPGA的典型应用(二),高速数字信号处理(DSP) -提供前所未有的计算能力 无线通信领域,如软件无线电(SDR) 视频图像处理领域,如高清数字电视(HDTV) 军事和航空航天领域,如雷达声纳,设计实例二：视频图像处理系统,高速图像压缩系统 设计需求： 19201080，30帧/秒图像，采用H.264 Intra模式编码，实时传输。 计算量: 传统DSP： 1GHz
7、C6416 ，需要4颗； FPGA： 单颗， Altera EP2S180,FPGA的其他应用,其他应用领域 汽车, 如 网关控制器/车用PC ,远程信息处理系统 军事,如安全通信 ,雷达和声纳,电子战 测试和测量,如通信测试和监测 ,半导体自动测试设备 ,通用仪表 消费产品,如显示器/投影仪 ,数字电视和机顶盒 ,家庭网络 医疗,如软件无线电 ,电疗 ,生命科学 通信设备,如蜂窝基础设施 ,宽带无线通信,软件无线电(SDR),二. FPGA在视频图像处理领域的典型应用之信号采集 1. 数据采集系统中数据采集的技巧 2. 视频信号采集系统的特点和设计方法 3. 数据缓冲实现方案,数据采集系统中
8、数据采集的技巧,标准接口，如SPI，I2C, BT656等 1。寻找现成的IP Core，如 http:/www.opencores.org/ 2。阅读标准和了解时序，可以实现标准的一个子集，如I2C控制； 非标准接口 芯片厂家自己定义的接口时序，需要仔细阅读芯片DataSheet,注意事项,找准采样边沿 在CLK的 上升沿还是下降沿去采样 找起始位置（一帧的第一个有效数据） 根据同步信号或者同步头，找到第一个有效数据，然后根据帧(包)长来确定何时结束采样。 不定长的包还要坚持最后一个有效数据的位置。 缓存策略 乒乓结构： 处理速度快，或者处理的时间固定 环形缓冲区：处理速度慢 写外部存储器
9、存储器共享策略： 通过主控模块分时复用,设计实例一：视频采集系统,基于视频解码芯片SAA7114的视频采集系统,视频芯片输出时序,设计实例二：内同步数据采样方法,目前数字视频的国际标准是国际电联的ITU.656格式，其标准格式是采用了9个信号来传递视频。 EAV和SAV是时间参考信号，其格式为：FF 00 00 XY，其定义如下。 SAV_EVEN=8H80 EAV_EVEN=8H9D SAV_ODD =8HC7 EAV_ODD =8HDA,采集原理,技巧一：乒乓操作,乒乓操作示意图,乒乓操作降低数据速率,技巧二：流水线操作,流水线设计的时序和关键,三. FPGA与DSP芯片构成的协同平台在图
10、像处理领域的应用 1. FPGADSP结构的优势和应用环境 2. FPGA与DSP的接口实现方案,FPGADSP系统的优势,高性能计算能力 灵活的重配置能力 （DSP配置FPGA） 开发难度和成本的折中 缩短研发周期,FPGADSP系统的适用领域,既有复杂的算法，又有大量重复性计算 FPGA作为协处理器 可重构系统,FPGADSP系统的设计流程,设计可以分为三种主要任务： 功能划分 需要把整个功能分解为DSP实现和FPGA实现两个部分，同时细化FPGA和DSP上实现的模块定义 接口设计 设计DSP和FPGA的接口时序和数据格式 调度安排 合理设计好DSP的每个模块的执行时间，特别是多个模块共享
11、一个硬件资源的时候。,FPGA和DSP的通讯接口,EMIF接口,其他接口 如串口，SPI接口，PCI接口等 FPGA专用接口 VLYNQ 接口（TI 达芬奇系列SoC）,FPGA+DSP的协同处理平台的 电路设计注意事项,DSP和FPGA的选型 DSP和FPGA的接口设计 共享缓冲区技术 DSP配置FPGA技术 高速电路板常规要求,FPGA+DSP的协同处理平台的调试方法和策略,DSP和FPGA单独调试 调试过程中保证接口高阻态或者断路； 优先调试DSP和FPGA的接口 必须测试稳定后，才能开始后续功能调试 通过FPGA内部逻辑分析仪来观察接口时序 DSP软件和FPGA硬件并行设计方法 FPGA的管脚兼容性设计,华清远见FPGA相关课程,FPGA应用设计初级班 FPGA应用设计高级班 FPGA项目案例培训班 基于FPGA的SOC设计班,让我们一起讨论！, 谢谢！,成功之路,