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內嵌ARM核的FPGA芯片EPXA10及其在圖像驅動(dòng)和處理方面的應用

時(shí)間:2024-07-15 16:07:01 理工畢業(yè)論文 我要投稿
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內嵌ARM核的FPGA芯片EPXA10及其在圖像驅動(dòng)和處理方面的應用

摘要:介紹了內嵌ARM核的FPGA芯片EPXA10的主功能特點(diǎn)、內部結構及工作方式,通過(guò)其在圖像驅動(dòng)和處理方面的應用,體現了EPX10邏輯控制實(shí)現簡(jiǎn)單、對大量數據做簡(jiǎn)單處理速度快以及軟件編程靈活的特點(diǎn)。

隨著(zhù)亞微米技術(shù)的發(fā)展,FPGA芯片密度不斷增加,并以強大的并行計算能力和方便靈活的動(dòng)態(tài)可重構性,被廣泛地應用于各個(gè)領(lǐng)域。但是在復雜復法的實(shí)現上,FPGA卻遠沒(méi)有32位RISC處理器靈活方便,所以在設計具有復雜算法和控制邏輯的系統時(shí),往往需要RISC和FPGA結合使用。這樣,電路設計的難度也就相應大大增加。隨著(zhù)第四代EDA開(kāi)發(fā)工具的使用,特別是在IP核產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展下產(chǎn)生的SOPC技術(shù)的發(fā)展,使嵌入式RISC的通用及標準的FPGA器件呼之欲出。單片集成的RISC處理器和FPGA大大減小了硬件電路復雜性和體積,同時(shí)也降低了功耗、提高了系統可靠性。Altera公司的EPXA10芯片就是應用SOPC技術(shù),集高密度邏輯(FPGA)、存儲器(SRAM)及嵌入式處理器(ARM)于單片可編程邏輯器件上,實(shí)現了速度與編程能力的完美結合。本文所介紹的圖像驅動(dòng)和處理系統正應用了EPX10的這些特點(diǎn),充分發(fā)揮了FPGA邏輯控制實(shí)現簡(jiǎn)單、對大量數據做簡(jiǎn)單處理速度快的優(yōu)勢以及ARM軟件編程靈活的特點(diǎn)。

1 內嵌ARM核的FPGA芯片EPXA10及其主要特點(diǎn)

EPX10單片集成了ARM核、高密度的FPGA、存儲器及接和控制模塊,不僅簡(jiǎn)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(jiǎn)單;同時(shí)通過(guò)在FPGA中嵌入各種IP核和用戶(hù)控制邏輯可以實(shí)現各種接口和控制任務(wù)。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(shí)現了SOPC。

EPX10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

EPX10嵌入式處理器部分集成了業(yè)界領(lǐng)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(shí)時(shí)操作系統(RTOS)、C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言。

1.2 高密度的FPGA

EPXA10片內FPGA部分具有1000000門(mén)可編程邏輯、3MB的內置RAM和512個(gè)可供用戶(hù)使用的I/O管腳,可以通過(guò)嵌入各種IP核實(shí)現各種標準工業(yè)接口(如PCI、USB等)。

1.3 先進(jìn)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(shí)集成了兩個(gè)先進(jìn)的存儲支持:(1)SDRAM控制器,用于控制單倍速/雙倍速不同控制進(jìn)序來(lái)確定的,實(shí)現起來(lái)非常復雜。有了SDRAM控制器的支持,只需要在A(yíng)ltera公司提供的EDA開(kāi)發(fā)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(jìn)行操作,控制器會(huì )自動(dòng)將各種指令轉化成SDRAM所需的工作時(shí)序,大大降低了對SDRAM的控制難度。(2)從FPGA啟動(dòng)。這種啟動(dòng)方式需要將設計下載到片外E2PROM中,而且設計中可包含FPGA部分的應用。啟動(dòng)時(shí)FPGA為主動(dòng),ARM處復位狀態(tài),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(tài)。

圖3

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(xiàn)AHB1、AHB2,分別用于片內各種資源的通訊,如圖1所示;贏(yíng)HB1、AHB2總線(xiàn),EPXA10的工作方式大致可分為三種:(1)ARM作為AHB1總線(xiàn)的主控,直接訪(fǎng)問(wèn)HAB1總線(xiàn)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(xiàn)的主控,通過(guò)AHB1-2橋訪(fǎng)問(wèn)AHB2總線(xiàn)上的從屬資源,包括UART、EBI、SRAM、Stripe-To-PLD橋等,同時(shí)通過(guò)Stripe-To-PLD橋對FPGA進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)和控制。(3)FPGA通過(guò)AHB2的總線(xiàn)主控PLD-To-Stripe橋訪(fǎng)問(wèn)AHB2總線(xiàn)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(huán)路(PLL),為微控制器總線(xiàn)及SDRAM控制器提供了靈活精確的時(shí)鐘基準。

3 EPXA10在圖像驅動(dòng)和處理方面的應用

本文所述的圖像驅動(dòng)和處理系統主要利用PPGA邏輯控制實(shí)現簡(jiǎn)單、對大量數據做簡(jiǎn)單處理速度快以及ARM軟件編程靈活的特點(diǎn),系統框圖如圖2所示。在芯片FPGA部分,構造了CMOS驅動(dòng)模塊,驅動(dòng)CMOS圖像傳感器使之能夠采集圖像數據。然后圖像數據經(jīng)數據接收模塊存入片外SDRAM中,并經(jīng)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(xiě)基于CDib類(lèi)的圖像顯示程序;同時(shí)將圖像數據經(jīng)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(jīng)串口傳給PC機進(jìn)行顯示。為了驗證基于A(yíng)RM的圖像處理算法實(shí)現的正確性,還將這一算法在PC機中進(jìn)行了實(shí)現,最后針對同一幅圖像,將兩種實(shí)現的結果進(jìn)行了比較。

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