國(guó)產(chǎn)FPGA SOC雙目視覺處理系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例-米爾安路DR1M90開發(fā)板

1.系統(tǒng)架構(gòu)解析

本系統(tǒng)基于米爾MYC-YM90X核心板構(gòu)建，基于安路飛龍DR1M90處理器，搭載安路DR1 FPGA SOC 創(chuàng)新型異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)，充分發(fā)揮其雙核Cortex-A35處理器與可編程邏輯（PL）單元的協(xié)同優(yōu)勢(shì)。通過AXI4-Stream總線構(gòu)建的高速數(shù)據(jù)通道（峰值帶寬可達(dá)12.8GB/s），實(shí)現(xiàn)ARM與FPGA間的納秒級(jí)（ns）延遲交互，較傳統(tǒng)方案提升了3倍的傳輸效率，極大地提升了系統(tǒng)整體性能。

國(guó)產(chǎn)化技術(shù)亮點(diǎn)：

●   全自主AXI互連架構(gòu)，支持多主多從拓?fù)?，確保系統(tǒng)靈活性與可擴(kuò)展性

●   硬核處理器與PL單元共享DDR3控制器，提高內(nèi)存帶寬利用率（可升級(jí)至DDR4）

●   動(dòng)態(tài)時(shí)鐘域隔離技術(shù)（DCIT），確保跨時(shí)鐘域的數(shù)據(jù)交互穩(wěn)定性，避免時(shí)序錯(cuò)誤

●   國(guó)產(chǎn)SM4加密引擎硬件加速模塊，為數(shù)據(jù)加密任務(wù)提供硬件級(jí)別的支持，提升加密處理效率

圖一 系統(tǒng)架構(gòu)框圖

如圖一所示，系統(tǒng)架構(gòu)通過“低內(nèi)聚，高耦合”的設(shè)計(jì)思想，通過模塊化的設(shè)計(jì)方式，完成了以下工作。

1.通過I2C對(duì)OV5640攝像頭進(jìn)行分辨率，輸出格式等配置。

2.雙目圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行三級(jí)幀緩存，F(xiàn)IFO——DMA——DDR。

3.客制化低延遲ISP（開發(fā)者根據(jù)場(chǎng)景需求加入）

4.VTC驅(qū)動(dòng)HDMI輸出顯示

2.系統(tǒng)程序開發(fā)

2.1DR1固件架構(gòu)設(shè)計(jì)

GUI設(shè)計(jì)界面，類Blockdesign設(shè)計(jì)方式，通過AXI總線，連接DR1的ARM核與定制化外設(shè)，包括以太網(wǎng)，RAM模塊，PL DMA和VTC。

圖二  FPGA底層架構(gòu)框圖

2.2 雙目視覺處理流水線

2.2.1 傳感器配置層

為實(shí)現(xiàn)高效的傳感器配置，本系統(tǒng)采用混合式I2C配置引擎，通過PL端硬件I2C控制器實(shí)現(xiàn)傳感器參數(shù)的動(dòng)態(tài)加載。與純軟件方案相比，該硬件加速的配置速度提升了8倍，顯著降低了配置延遲。

// 可重配置傳感器驅(qū)動(dòng)IP

module ov5640_config (

input wire clk_50M,

output tri scl,

inout tri sda,

input wire [7:0] reg_addr,

input wire [15:0] reg_data,

output reg config_done

);

// 支持動(dòng)態(tài)分辨率切換（1920x1080@30fps ? 1280x720@60fps）

parameter [15:0] RESOLUTION_TABLE[4] = '{...};

該配置引擎支持多分辨率與高幀率動(dòng)態(tài)切換，適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)景需求。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集管道

系統(tǒng)構(gòu)建了三級(jí)緩存體系，確保數(shù)據(jù)處理的高效性和實(shí)時(shí)性：

●   像素級(jí)緩存：采用雙時(shí)鐘FIFO（寫時(shí)鐘74.25MHz，讀時(shí)鐘100MHz），實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定緩存和傳輸。

●   行緩沖：使用BRAM的乒乓結(jié)構(gòu)（每行1920像素×16bit），減少數(shù)據(jù)延遲。

●   幀緩存：通過DDR3-1066 1GB內(nèi)存支持四幀循環(huán)存儲(chǔ)，確保圖像的持續(xù)流暢展示。

// 位寬轉(zhuǎn)換智能適配器

module data_width_converter #(

parameter IN_WIDTH = 16,

parameter OUT_WIDTH = 96

)(

input wire [IN_WIDTH-1:0] din,

output wire [OUT_WIDTH-1:0] dout,

// 時(shí)鐘與使能信號(hào)

);

// 采用流水線式位寬重組技術(shù)

always_ff @(posedge clk) begin

case(state)

0: buffer <= {din, 80'b0};

1: buffer <= {buffer[79:0], din};

// ...6周期完成96bit組裝

endcase

end

2.2.3. 異構(gòu)計(jì)算調(diào)度

系統(tǒng)通過AXI-DMA（Direct Memory Access）實(shí)現(xiàn)零拷貝數(shù)據(jù)傳輸，優(yōu)化內(nèi)存和外設(shè)間的數(shù)據(jù)交換：

●   寫通道：PL→DDR，采用突發(fā)長(zhǎng)度128、位寬128bit的高速數(shù)據(jù)傳輸

●   讀通道：DDR→HDMI，配合動(dòng)態(tài)帶寬分配（QoS等級(jí)可調(diào)），確保不同帶寬需求的動(dòng)態(tài)適配

2.2.4 VTC顯示引擎深度優(yōu)化

●   PL DMA輸出顯示優(yōu)化

 顯示時(shí)序的優(yōu)化對(duì)高質(zhì)量圖像輸出至關(guān)重要。通過VTC（Video Timing Controller），本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多模式自適應(yīng)輸出。

axi_hdmi_tx#(

.ID(0),

.CR_CB_N(0),

.DEVICE_TYPE(17), // 17 for DR1M

.INTERFACE("16_BIT"),

.OUT_CLK_POLARITY (0)

)

axi_hdmi_tx_inst (

.hdmi_clk (pll_clk_150),

//.hdmi_clk (clk1_out),

.hdmi_out_clk (hdmi_clk ),

.hdmi_16_hsync (hdmi_hs ),

.hdmi_16_vsync (hdmi_vs ),

.hdmi_16_data_e (hdmi_de),

.hdmi_16_data (/*hdmi_data*/ ),

//

.hdmi_16_data (hdmi_data ),

.hdmi_16_es_data (hdmi_data),

.hdmi_24_hsync (),

.hdmi_24_vsync (),

.hdmi_24_data_e (),

.hdmi_24_data (/*{r_data,g_data,b_data}*/),

.hdmi_36_hsync (),

.hdmi_36_vsync (),

.hdmi_36_data_e (),

.hdmi_36_data (),

.vdma_clk (pll_clk_150 ),

.vdma_end_of_frame (dma_m_axis_last ),

.vdma_valid (dma_m_axis_valid ),

.vdma_data (dma_m_axis_data ),

.vdma_ready (dma_m_axis_ready),

.s_axi_aclk (S_AXI_ACLK ),

.s_axi_aresetn (S_AXI_ARESETN ),

.s_axi_awvalid (axi_ds5_ds5_awvalid ),

.s_axi_awaddr (axi_ds5_ds5_awaddr ),

.s_axi_awprot (axi_ds5_ds5_awprot ),

.s_axi_awready (axi_ds5_ds5_awready ),

.s_axi_wvalid (axi_ds5_ds5_wvalid ),

.s_axi_wdata (axi_ds5_ds5_wdata ),

.s_axi_wstrb (axi_ds5_ds5_wstrb ),

.s_axi_wready (axi_ds5_ds5_wready ),

.s_axi_bvalid (axi_ds5_ds5_bvalid ),

.s_axi_bresp (axi_ds5_ds5_bresp ),

.s_axi_bready (axi_ds5_ds5_bready ),

.s_axi_arvalid (axi_ds5_ds5_arvalid ),

.s_axi_araddr (axi_ds5_ds5_araddr ),

.s_axi_arprot (axi_ds5_ds5_arprot ),

.s_axi_arready (axi_ds5_ds5_arready ),

.s_axi_rvalid (axi_ds5_ds5_rvalid ),

.s_axi_rresp (axi_ds5_ds5_rresp ),

.s_axi_rdata (axi_ds5_ds5_rdata ),

.s_axi_rready  (axi_ds5_ds5_rready)

);

●    動(dòng)態(tài)時(shí)序生成器

 通過PL-PLL動(dòng)態(tài)調(diào)整像素時(shí)鐘，確保顯示無卡頓、無閃爍，誤差控制在<10ppm內(nèi)。

// VTC配置代碼片段（Anlogic SDK）

void config_vtc(uint32_t h_total, uint32_t v_total) {

VTCRegs->CTRL = 0x1;  // 使能軟復(fù)位

VTCRegs->HTOTAL = h_total - 1;

VTCRegs->VTOTAL = v_total - 1;

// 詳細(xì)時(shí)序參數(shù)配置

VTCRegs->POLARITY = 0x3;  // HS/VS極性配置

VTCRegs->CTRL = 0x81;     // 使能模塊

}

3.硬件連接與測(cè)試

●   硬件連接

米爾的安路飛龍板卡采用2 X 50 PIN 連接器設(shè)計(jì)，可靈活插拔多種子卡，配合子卡套件，可擴(kuò)展成多種形態(tài)，多種應(yīng)用玩法。

圖三 使用模組、底板、子卡和線纜搭建硬件系統(tǒng)（使用米爾基于安路飛龍DR1M90開發(fā)板）

●   顯示測(cè)試

實(shí)測(cè)雙目顯示清晰，無卡幀，閃屏。

圖四 輸出顯示效果

●   系統(tǒng)集成

 在FPGA硬件描述文件的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步在Linux下實(shí)現(xiàn)雙攝，為復(fù)雜系統(tǒng)調(diào)度應(yīng)用鋪平道路。

 內(nèi)核加載5640驅(qū)動(dòng)下通過dma搬運(yùn)ddr數(shù)據(jù)，在應(yīng)用層中通過v4l2框架顯示到HDMI上，完整數(shù)據(jù)流如下：

 FPGA DDR → AXI-DMA控制器 → Linux DMA引擎 → 內(nèi)核dma_buf  → V4L2 vb2隊(duì)列 → mmap用戶空間 → 應(yīng)用處理 

三路DMA設(shè)備樹HDMI、camera1、camera2代碼片段：

//hdmi

soft_adi_dma0: dma@80400000 {

compatible = "adi,axi-dmac-1.00.a";

reg = <0x0 0x80400000 0x0 0x10000>;

interrupts = <GIC_SPI 83 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;

clocks = <&axi_dma_clk>;

#dma-cells = <1>;

status = "okay";

adi,channels {

#size-cells = <0>;

#address-cells = <1>;

dma-channel@0 {

reg = <0>;

adi,source-bus-width = <32>;

adi,source-bus-type = <0>;

adi,destination-bus-width = <64>;

adi,destination-bus-type = <1>;

};

};

};

// cam1

mipi_adi_dma0: dma@80300000 {

compatible = "adi,axi-dmac-1.00.a";

reg = <0x0 0x80300000 0x0 0x10000>;

interrupts = <GIC_SPI 82 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;

clocks = <&axi_dma_clk>;

#dma-cells = <1>;

status = "okay";

adi,channels {

#size-cells = <0>;

#address-cells = <1>;

dma-channel@0 {

reg = <0>;

adi,source-bus-width = <128>;

adi,source-bus-type = <1>;

adi,destination-bus-width = <64>;

adi,destination-bus-type = <0>;

};

};

};

//cam2

mipi_adi_dma1: dma@80700000 {

compatible = "adi,axi-dmac-1.00.a";

reg = <0x0 0x80700000 0x0 0x10000>;

interrupts = <GIC_SPI 86 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;

clocks = <&axi_dma_clk>;

#dma-cells = <1>;

status = "okay";

adi,channels {

#size-cells = <0>;

#address-cells = <1>;

dma-channel@0 {

reg = <0>;

adi,source-bus-width = <128>;  

adi,source-bus-type = <1>;

adi,destination-bus-width = <32>;

adi,destination-bus-type = <0>;

};

};

};

雙路i2c OV5640設(shè)備樹配置代碼片段

camera@3c {

compatible = "ovti,ov5640";

pinctrl-names = "default";

//   pinctrl-0 = <&pinctrl_ov5640>;

reg = <0x3c>;

clocks = <&ov5640_clk>;

clock-names = "xclk";

//   DOVDD-supply = <&vgen4_reg>; /* 1.8v */

//   AVDD-supply = <&vgen3_reg>;  /* 2.8v */

//   DVDD-supply = <&vgen2_reg>;  /* 1.5v */

powerdown-gpios = <&portc 8 GPIO_ACTIVE_HIGH>;

reset-gpios = <&portc 7 GPIO_ACTIVE_LOW>;

port {

/* Parallel bus endpoint */

ov5640_out_0: endpoint {

remote-endpoint = <&vcap_ov5640_in_0>;

bus-width = <8>;

data-shift = <2>; /* lines 9:2 are used */

hsync-active = <0>;

vsync-active = <0>;

pclk-sample = <1>;

};

};

};          

●   性能測(cè)試

性能實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

4.場(chǎng)景化應(yīng)用擴(kuò)展

該方案可廣泛應(yīng)用于以下領(lǐng)域：

1.智能駕駛：前視ADAS系統(tǒng)，包含車道識(shí)別和碰撞預(yù)警

2.工業(yè)檢測(cè)：高速AOI（自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)）流水線，提升檢測(cè)精度和效率

3.醫(yī)療影像：內(nèi)窺鏡實(shí)時(shí)增強(qiáng)顯示，支持多視角成像

4.機(jī)器人導(dǎo)航：SLAM（同步定位與地圖構(gòu)建）點(diǎn)云加速處理，提升機(jī)器人自主導(dǎo)航能力

通過安路TD 2024.10開發(fā)套件，開發(fā)者能夠快速移植和定制化開發(fā)，具體包括：

●   使用GUI圖形化設(shè)計(jì)約束工具，簡(jiǎn)化硬件開發(fā)過程

●   調(diào)用預(yù)置的接口與處理器IP，加速產(chǎn)品開發(fā)上市時(shí)間，專注應(yīng)用和算法的處理

●   進(jìn)行動(dòng)態(tài)功耗分析（DPA）與仿真，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性與高效性

0.One More Thing…

這里，回到我們?cè)c(diǎn)，回到我們開發(fā)設(shè)計(jì)國(guó)產(chǎn) FPGA SOC的初衷 ，芯片也好，模組也好，都只是開始，無論是FPGA，SOC，或者SOM，**都是為了以更快，更好，平衡成本，體積，開發(fā)周期，開發(fā)難度，人員配置等等綜合因素，做出的面向解決問題的選擇，最終結(jié)果是降低成本和產(chǎn)品力的平衡。**

安路飛龍系列的問世，讓我們很欣喜看見國(guó)產(chǎn)SOC FPGA的崛起，希望和業(yè)界開發(fā)者一起開發(fā)構(gòu)建國(guó)產(chǎn)SOC FPGA生態(tài)，**所以選擇將系列教程以知識(shí)庫(kù)全部開源，共同無限進(jìn)步！**

米爾電子可能只是其中非常非常小的一個(gè)數(shù)據(jù)集，但會(huì)盡力撬動(dòng)更大貢獻(xiàn)。