C2H技術在視頻監控系統中的應用

由于傳統技術的限制，視頻監控系統的性能很難有較大的提升。為了解決這個問題，在分析視頻監控系統各部分時耗的基礎上，引入了C2H（C-to-Hardware）新技術對系統中耗時大的環節——數據讀寫環節進行硬件加速，有效的提高了視頻監控系統的性能。通過測試數據表明，視頻監控系統中應用了C2H 技術加速后，數據讀寫速度提升十幾倍，使整個系統性能得到明顯提高。

　　0 引 言

　　隨著視頻監控系統的廣泛應用，人們對監控系統的實時性提出了更高的要求，特別是在數據的高速采集應用中，傳統技術在處理速度上面臨著嚴峻的考驗，當前通用的解決方案很難滿足用戶日益提高的需求。為此，Altera 公司于2006 年4 月7 日提出了C2H 技術。這個技術的實質是通過硬件映射的方式直接用硬件對C 語言進行加速，獲得系統性能的提高。

　　本文將 C2H 技術應用于視頻監控系統的數據存儲功能部分，有效的加快了數據的讀寫速度，使系統的性能得到大幅度的提升。

　　1 C2H 技術介紹

　　1.1 C2H 的特點

　　C2H 是一種可以直接對ANSI C 函數定制硬件加速的技術，在推出短短的一年時間內就得到了嵌入式及FPGA 設計者的廣泛使用。C2H 編譯器能分析程序要加速實現的存儲器接口類型，生成硬件加速器邏輯以及合適的Avalon（總線互聯架構）的主機和從機接口，達到與存儲器延時的匹配。這樣，分擔了處理器的數據計算和存儲器訪問任務，使處理器能夠更好的處理其他任務。數據表明，與未采用C2H 加速的系統相比，采用NiosII C2H 編譯器加速的系統性能提高了10 到45 倍，而耗費的邏輯資源僅比處理器本身多出0.7 至2.0 倍。NiosII C2H 編譯器是基于Eclipse 的NiosII 集成開發環境（IDE）中的一個插件。同時，C2H編譯器具有識別并行運行事件的功能，能在硬件中同時運行相互獨立的事件。與前面結果無關的事件將被盡早的執行。軟件調用以線程的方式進行加速——每個加速器完全并行運行，真正的多任務系統(CPU, 硬件加速器)。

　　1.2 C2H 的使用流程

　　C2H的使用需要進行反復的調試，直到性能符合設計要求。具體流程如下：

　　(1)在NiosII中開發和調試C程序；

　　(2)分析C程序，找到最適合加速的部分；

　　(3)將需要加速的代碼段寫成一個獨立的子函數；

　　(4)指定這個函數為硬件加速的函數；

　　(5)在NiosII IDE中重新編譯整個工程；

　　(6)分析硬件加速的結果，觀察C2H*估報告；

　　2 視頻監控系統的設計

　　設計中選用的是 Altera 公司生產的CycloneII 系列中的EP2c35 FPGA。CycloneII 系列是低成本嵌入式處理解決方案，具有可以擴展外設集、存儲器、I/O 的特點。同時Altera 公司免費提供NiosII 嵌入式處理器。NiosII 軟核是一個32 位RISC 嵌入式處理器，性能超過200MIPS，滿足當前系統的設計要求。Altera 公司提供了一整套針對NiosII 軟核的SOPC 開發工具，輕松實現從底層的硬件設計到上層的軟件開發。

　　2.1 視頻監控系統的總體設計

　　本文中設計的視頻監控系統的基本構成是現場實時采集圖像的攝像機、視頻解碼芯片AD7181B、視頻D/A 芯片ADC7123、VGA 控制器、Flash、SDRAM 控制器及控制核心NiosIICPU。整個系統除A/D 和D/A 采用專用芯片外，其余部分均在FPGA 上實現。視頻監控系統的硬件設計框圖如下圖1 所示：

圖1 系統硬件設計框圖