國產FPGA SOC雙目視覺處理系統開發實例-米爾安路DR1M90開發板

1.系統架構解析

本系統基于米爾MYC-YM90X核心板構建，基于安路飛龍DR1M90處理器，搭載安路DR1 FPGA SOC 創新型異構計算平臺，充分發揮其雙核Cortex-A35處理器與可編程邏輯（PL）單元的協同優勢。通過AXI4-Stream總線構建的高速數據通道（峰值帶寬可達12.8GB/s），實現ARM與FPGA間的納秒級（ns）延遲交互，較傳統方案提升了3倍的傳輸效率，極大地提升了系統整體性能。

國產化技術亮點：

●   全自主AXI互連架構，支持多主多從拓撲，確保系統靈活性與可擴展性

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

●   動態時鐘域隔離技術（DCIT），確保跨時鐘域的數據交互穩定性，避免時序錯誤

●   國產SM4加密引擎硬件加速模塊，為數據加密任務提供硬件級別的支持，提升加密處理效率

圖一 系統架構框圖

如圖一所示，系統架構通過“低內聚，高耦合”的設計思想，通過模塊化的設計方式，完成了以下工作。

1.通過I2C對OV5640攝像頭進行分辨率，輸出格式等配置。

2.雙目圖像數據進行三級幀緩存，FIFO——DMA——DDR。

3.客制化低延遲ISP（開發者根據場景需求加入）

4.VTC驅動HDMI輸出顯示

2.系統程序開發

2.1DR1固件架構設計

GUI設計界面，類Blockdesign設計方式，通過AXI總線，連接DR1的ARM核與定制化外設，包括以太網，RAM模塊，PL DMA和VTC。

圖二  FPGA底層架構框圖

2.2 雙目視覺處理流水線

2.2.1 傳感器配置層

為實現高效的傳感器配置，本系統采用混合式I2C配置引擎，通過PL端硬件I2C控制器實現傳感器參數的動態加載。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。

// 可重配置傳感器驅動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

);

// 支持動態分辨率切換（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態切換，適應不同應用場景需求。

2.2.2 數據采集管道

系統構建了三級緩存體系，確保數據處理的高效性和實時性：

●   像素級緩存：采用雙時鐘FIFO（寫時鐘74.25MHz，讀時鐘100MHz），實現數據的穩定緩存和傳輸。

●   行緩沖：使用BRAM的乒乓結構（每行1920像素×16bit），減少數據延遲。

●   幀緩存：通過DDR3-1066 1GB內存支持四幀循環存儲，確保圖像的持續流暢展示。

// 位寬轉換智能適配器

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,

// 時鐘與使能信號

);

// 采用流水線式位寬重組技術

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. 異構計算調度

系統通過AXI-DMA（Direct Memory Access）實現零拷貝數據傳輸，優化內存和外設間的數據交換：

●   寫通道：PL→DDR，采用突發長度128、位寬128bit的高速數據傳輸

●   讀通道：DDR→HDMI，配合動態帶寬分配（QoS等級可調），確保不同帶寬需求的動態適配

2.2.4 VTC顯示引擎深度優化

●   PL DMA輸出顯示優化

 顯示時序的優化對高質量圖像輸出至關重要。通過VTC（Video Timing Controller），本系統能夠實現多模式自適應輸出。

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)

);

●    動態時序生成器

 通過PL-PLL動態調整像素時鐘，確保顯示無卡頓、無閃爍，誤差控制在<10ppm內。

// VTC配置代碼片段（Anlogic SDK）

void config_vtc(uint32_t h_total, uint32_t v_total) {

VTCRegs->CTRL = 0x1;  // 使能軟復位

VTCRegs->HTOTAL = h_total - 1;

VTCRegs->VTOTAL = v_total - 1;

// 詳細時序參數配置

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

VTCRegs->CTRL = 0x81;     // 使能模塊

}

3.硬件連接與測試

●   硬件連接

米爾的安路飛龍板卡采用2 X 50 PIN 連接器設計，可靈活插拔多種子卡，配合子卡套件，可擴展成多種形態，多種應用玩法。

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

●   顯示測試

實測雙目顯示清晰，無卡幀，閃屏。

圖四 輸出顯示效果

●   系統集成

 在FPGA硬件描述文件的基礎上，進一步在Linux下實現雙攝，為復雜系統調度應用鋪平道路。

 內核加載5640驅動下通過dma搬運ddr數據，在應用層中通過v4l2框架顯示到HDMI上，完整數據流如下：

 FPGA DDR → AXI-DMA控制器 → Linux DMA引擎 → 內核dma_buf  → V4L2 vb2隊列 → mmap用戶空間 → 應用處理 

三路DMA設備樹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>;

};

};

};          

●   性能測試

性能實測數據。

4.場景化應用擴展

該方案可廣泛應用于以下領域：

1.智能駕駛：前視ADAS系統，包含車道識別和碰撞預警

2.工業檢測：高速AOI（自動光學檢測）流水線，提升檢測精度和效率

3.醫療影像：內窺鏡實時增強顯示，支持多視角成像

4.機器人導航：SLAM（同步定位與地圖構建）點云加速處理，提升機器人自主導航能力

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

●   使用GUI圖形化設計約束工具，簡化硬件開發過程

●   調用預置的接口與處理器IP，加速產品開發上市時間，專注應用和算法的處理

●   進行動態功耗分析（DPA）與仿真，確保系統的穩定性與高效性

0.One More Thing…

這里，回到我們原點，回到我們開發設計國產 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，開發周期，開發難度，人員配置等等綜合因素，做出的面向解決問題的選擇，最終結果是降低成本和產品力的平衡。**

安路飛龍系列的問世，讓我們很欣喜看見國產SOC FPGA的崛起，希望和業界開發者一起開發構建國產SOC FPGA生態，**所以選擇將系列教程以知識庫全部開源，共同無限進步！**

米爾電子可能只是其中非常非常小的一個數據集，但會盡力撬動更大貢獻。