基于EP2c35 FPGA和NiosII 軟核實現(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

隨著視頻監(jiān)控系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，人們對監(jiān)控系統(tǒng)的實時性提出了更高的要求，特別是在數(shù)據(jù)的高速采集應(yīng)用中，傳統(tǒng)技術(shù)在處理速度上面臨著嚴峻的考驗，當(dāng)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(shù)。這個技術(shù)的實質(zhì)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(tǒng)性能的提高。

本文將 C2H 技術(shù)應(yīng)用于視頻監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲功能部分，有效的加快了數(shù)據(jù)的讀寫速度，使系統(tǒng)的性能得到大幅度的提升。

1 C2H 技術(shù)介紹

1.1 C2H 的特點

C2H 是一種可以直接對ANSI C 函數(shù)定制硬件加速的技術(shù)，在推出短短的一年時間內(nèi)就得到了嵌入式及FPGA 設(shè)計者的廣泛使用。C2H 編譯器能分析程序要加速實現(xiàn)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(lián)架構(gòu)）的主機和從機接口，達到與存儲器延時的匹配。這樣，分擔(dān)了處理器的數(shù)據(jù)計算和存儲器訪問任務(wù)，使處理器能夠更好的處理其他任務(wù)。數(shù)據(jù)表明，與未采用C2H 加速的系統(tǒng)相比，采用NiosII C2H 編譯器加速的系統(tǒng)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(fā)環(huán)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(jié)果無關(guān)的事件將被盡早的執(zhí)行。軟件調(diào)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(wù)系統(tǒng)（CPU， 硬件加速器）。

1.2 C2H 的使用流程

C2H的使用需要進行反復(fù)的調(diào)試，直到性能符合設(shè)計要求。具體流程如下：

（1）在NiosII中開發(fā)和調(diào)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(shù)；

（4）指定這個函數(shù)為硬件加速的函數(shù)；

（5）在NiosII IDE中重新編譯整個工程；

（6）分析硬件加速的結(jié)果，觀察C2H*估報告；

2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

設(shè)計中選用的是 Altera 公司生產(chǎn)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(shè)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(dāng)前系統(tǒng)的設(shè)計要求。Altera 公司提供了一整套針對NiosII 軟核的SOPC 開發(fā)工具，輕松實現(xiàn)從底層的硬件設(shè)計到上層的軟件開發(fā)。

2.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計

本文中設(shè)計的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基本構(gòu)成是現(xiàn)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(tǒng)除A/D 和D/A 采用專用芯片外，其余部分均在FPGA 上實現(xiàn)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計框圖如下圖1 所示：

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

各模塊功能描述如下：NiosII 軟核CPU 是32 位的RISC 嵌入式處理器，為整個系統(tǒng)的中樞；SDRAM，是系統(tǒng)大容量的數(shù)據(jù)緩沖存儲區(qū)域；Flash，存儲系統(tǒng)的硬件和軟件的系統(tǒng)上電配置數(shù)據(jù)；視頻處理模塊，實現(xiàn)對視頻流的ITU656 解碼、去隔行、格式轉(zhuǎn)換等功能。

2.2 C2H 在視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

下圖 1.2 詳細表示出了系統(tǒng)中視頻數(shù)據(jù)流的處理過程。

圖2 視頻數(shù)據(jù)流處理過程圖

從上圖 2 可以看出，數(shù)據(jù)流處理過程是先經(jīng)過視頻解碼芯片AD7181B 的模數(shù)轉(zhuǎn)換，變成8 位的數(shù)字視頻信號；再由ITU-R656 解碼器解碼，使視頻格式變成YUV4:2：2；然后對視頻流進行去隔行處理。去隔行處理中，需要將奇場數(shù)據(jù)和偶場數(shù)據(jù)分別存于兩個FIFO（FIFO A 和FIFO B）中，然后再以兩倍的頻率按ABABA……的順序讀出，便可完成視頻的去隔行處理。最后經(jīng)過YUV 到RGB 時域變換，便可在VGA 控制器的控制下在顯示器上進行顯示。由于視頻解碼A/D 和視頻D/A 是由專用的芯片完成，速度很快，未對系統(tǒng)的速度有太大影響。經(jīng)過分析比較，系統(tǒng)性能提升的瓶頸是數(shù)據(jù)中間處理中的數(shù)據(jù)讀寫等環(huán)節(jié)。由于涉及到從存儲器讀數(shù)和寫數(shù)，使這部分成為系統(tǒng)中最耗時的部分。所以提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵是從減少數(shù)據(jù)讀寫的時間耗費入手。本設(shè)計中針對這一點，采用C2H 技術(shù)，對數(shù)據(jù)的讀寫進行硬件加速。進行加速部分程序如下：

其中，dest_ptr 是數(shù)據(jù)目的地址，source_ptr 是數(shù)據(jù)原地址，length 是字節(jié)數(shù)，測試中l(wèi)ength取1048576 個字節(jié)長。

實現(xiàn)過程按照論文 1.2 節(jié)所述。首先，經(jīng)過對時耗的分析比較，確定耗時最多的部分是數(shù)據(jù)讀寫部分。因此，確定這個環(huán)節(jié)為加速對象，并將其編寫為獨立的子函數(shù)，即上述的c2h_acceleration 函數(shù)，然后在IDE 中直接選擇以上函數(shù)，點擊右鍵，選擇HardwareAcceleration，最后再重新生成系統(tǒng)并編譯整個工程。

3 結(jié)果分析比較

為了進行加速性能比較，在系統(tǒng)中又定義了一個與c2h_acceleration功能相同的函數(shù)：software_acceleration，然后對函數(shù)c2h_acceleration進行C2H加速。并將結(jié)果與未采用C2H加速的software_acceleration比較。定義了測試函數(shù)，部分代碼如下：

編譯運行后，分析硬件加速的結(jié)果，觀察C2H*估報告，可以清楚的從運行結(jié)果看出通過C2H加速后性能的提高。未進行C2H加速的函數(shù)讀寫1048576字節(jié)的運行結(jié)果如下圖3所示，經(jīng)過C2H加速的函數(shù)運行結(jié)果如下圖4所示。

圖 3 未進行C2H加速測試結(jié)果

圖 4C2H加速后的測試結(jié)果

從圖3和圖4的結(jié)果可以看出來，軟件實現(xiàn)讀寫1048576字節(jié)數(shù)據(jù)需要86520ms；經(jīng)過C2H硬件加速后耗時減小至7470ms，速度提升多達11倍。

4 結(jié) 論

本文介紹了一個在 Altera 公司提供的EP2c35 FPGA 上設(shè)計的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

本文作者創(chuàng)新點：在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用C2H 技術(shù)對數(shù)據(jù)讀寫環(huán)節(jié)進行加速，使數(shù)據(jù)的讀寫速度提高了11 倍，提升了整個系統(tǒng)的性能。本文的設(shè)計方法和實現(xiàn)技術(shù)適合在對數(shù)據(jù)處理實時性要求較高的視頻產(chǎn)品中應(yīng)用，有很大的實用價值。

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