FPGA芯片EPXA10在圖像處理中的應用

本文所介紹的圖像驅動和處理系統正是應用了EPXA10的這些特點，充分發揮了FPGA邏輯控制實現簡單、對大量數據做簡單處理速度快的優勢以及ARM軟件編程靈活的特點。
1 內嵌ARM核的FPGA芯片EPXA10及其主要特點
　　EPXA10單片集成了ARM核、高密度的FPGA、存儲器及接口和控制模塊，不僅簡化了ARM與FPGA之間的通訊，也使片外擴展存儲器以及和外設通訊變得相對簡單；同時通過在FPGA中嵌入各種IP核和用戶控制邏輯可以實現各種接口和控制任務。這樣的高度集成化不僅大大加快了ARM與片內各種資源的通訊速度，而且減小了硬件電路的復雜性、體積和功耗，真正實現了SOPC。
　　EPXA10內部結構框圖如圖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
　　EPXA10嵌入式處理器部分集成了業界領先的32位ARM處理器(ARM922T)，工作頻率可達200MHz；支持32位ARMv4T指令集和16位Thumb擴展指令集；具有全性能的內存管理單元以及8K的指令緩存和8K數據緩存，以支持實時操作系統(RTOS)、C語言和匯編語言。
1.2 高密度的FPGA
　　EPXA10片內FPGA部分具有1000000門可編程邏輯、3MB的內置RAM和512個可供用戶使用的I/O管腳，可以通過嵌入各種IP核實現各種標準工業接口(如PCI、USB等)。
1.3 先進的存儲支持
　　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的存儲支持：(1)SDRAM控制器，用于控制單倍速/雙倍速SDRAM。SDRAM的各種工作狀態是依據信號線上提供的不同控制時序來確定的，實現起來非常復雜。有了SDRAM 控制器的支持，只需要在Altera公司提供的EDA開發軟件Quartus II中設置好SDRAM工作所需的各種參數，就可以按照直接給出指令、地址和數據的方式對SDRAM進行操作，控制器會自動將各種指令轉化成SDRAM所需的工作時序，大大降低了對SDRAM的控制難度。(2)擴展總線接口(EBI)，可外接4個存儲設備，如閃速存儲器、SRAM等，總容量高達128MB。其中EBI接口0外接閃速存儲器，用于存儲用戶的軟件、硬件設計代碼。
1.4 方便的接口模塊
　　EPXA10嵌入式處理器部分嵌入了串口通訊模塊(UART)，可以不用編程直接實現ARM與超級終端之間的串行通訊，實時監視軟件的運行情況。如果要實現計算機與ARM之間的數據傳遞存儲，只需用戶編寫基于VC++語言的串口通訊程序，這需要用到Microsoft公司提供的MSComm串行通訊控件。
1.5 靈活的啟動方式
　　EPXA10共有兩種啟動方式：(1)從ARM啟動。這種啟動方式需要將設計下載到片外閃速存儲器中，而且設計中必須包含對ARM的應用。啟動時ARM為主動，配置各種寄存器及FPGA，執行軟件代碼。(2)從FPGA啟動。這種啟動方式需要將設計下載到片外E2PROM中，而且設計中可以只包含FPGA部分的應用。啟動時FPGA為主動，ARM處于復位狀態，配置完成后，如果有對ARM的應用，則ARM解除復位，執行軟件代碼；反之，ARM一直處于復位狀態。
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AHB1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橋對FPGA進行訪問和控制。(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片內集成了軟件可編程鎖相環路(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。
3 EPXA10在圖像驅動和處理方面的應用

本文所述的圖像驅動和處理系統主要利用FPGA邏輯控制實現簡單、對大量數據做簡單處理速度快以及ARM軟件編程靈活的特點，系統框圖如圖2所示。在芯片FPGA部分，構造了CMOS驅動模塊，驅動CMOS圖像傳感器使之能夠采集圖像數據。然后圖像數據經數據接收模塊存入片外SDRAM中，并經串口傳入PC機，要將圖像數據在PC機中顯示成圖像，還需編寫基于CDib類的圖像顯示程序；同時將圖像數據經芯片ARM部分的圖像處理算法(本系統采用Sobel算子)處理，處理后的圖像數據才能經串口傳給PC機進行顯示。為了驗證基于ARM的圖像處理算法實現的正確性，還將這一算法在PC機中進行了實現，最后針對同一幅圖像，將兩種實現的結果進行了比較。