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基于s o p c 的图像边缘检测系统的研究 摘要 可编程嵌入式技术是目前国内外在电子信息领域的研究热点，其中基 于可编程片上系统的s o p c 技术是其中的关键技术。本文针对目前日益发 展的便携式多媒体设备、嵌入式视频监控系统等研究了基于s o p c 的图像 边缘检测系统的关键技术。包括s o p c 系统的处理器，边缘检测协处理器， d m a 控制器，l c d 控制器，再加上外围的存储芯片形成一个完整的可编程 嵌入式图像处理系统。能够将静态图像中的边缘部分检测出来并在l c d 上 显示。 本文的主要工作如下： 1 对目前存在的图像处理的方法在嵌入式系统中的应用做了比较和分 析，得出利用f p g a 进行图像处理在处理速度和开发周期方面具有优势的 结论。分析了利用硬件进行图像边缘检测的几种算法，最后得出利用s o b e l 和p r e w i t t 算子进行电路设计的优点及可行性。 2 设计了图像边缘检测协处理模块电路，并用m a t l a b 仿真、m o d e l s i m 仿真、实际硬件电路运行等多种方法对模块功能进行了验证。最后将边缘 检测模块包装成基于n i o s l i 的s o p c 外围协处理i p 模块，加上a v l o n e 总线 接口作为整个嵌入式系统的外围协处理器使用。 3 设计了l c d 时序控制电路，利用v h d l 语言设计了确保l c d 正常 工作的时序发生电路，加上a v l o n e 总线接口作为整个s o p c 系统的外围模 块使用。 4 利用q u a r t u s l i 软件设计整个系统的电路，把固有的组件和自定义组 件组合起来形成s o p c 系统，在n i o s l ii d e 中完成电路软件的设计，最后 在a l t e r a 的s t r a t i xe p l s l 0 开发平台上进行下载验证实验，实验结果表明了 所设计的图像边缘检测系统的正确性。 关键词：s o p c 图像边缘检测f p g as o b e l 算子n i o s l i s t u d yo fi m _ a g ee d g ed e t e c t i n gs y s t e m b a s e do ns o p c a b s t r a c t a tp r e s e n tt h ep r o g r a m m a b l ee m b e d d e dt e c h n o l o g yi sar e s e a r c h h o t s p o ti nt h ee l e c t r o n i ci n f o r m a t i o nd o m a i ni nt h ew o r l d t h es o p c i d e o l o g yb a s e dt h ep r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c ei st h ek e yt e c h n o l o g y t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ek e yt e c h n i q u e so fi m a g ee d g ed e t e c t i n g s y s t e ma i m i n ga tt h ep o r t a b l em u l t i m e d i ad e v i c e ，e m b e d d e dv i d e o m o n i t o r i n gs y s t e ma n ds oo n i ti n c l u d e st h ep r o c e s s o r ，i m a g ee d g e d e t e c t i n gc o p r o c e s s o r , d m ac o n t r o l l e ra n dl c dc o n t r o l l e r a d d i n g o nt h e p e r i p h e r ym e m o r y ，i tb e c o m e sac o m p l e t ep r o g r a m m a b l e e m b e d d e di m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m i tc a nd e t e c tt h ee d g eo ft h e i m a g ea n dd i s p l a y st h er e s u l to nt h el c d s c r e e n t h em a i nc o n t r i b u t i o nw o r k sa r ea sf o l l o w s ： 1 c o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h ei m a g ep r o c e s s i n gm e t h o d su s e di n t h ee m b e d d e ds y s t e m ，i ti sc o n c l u d e dt h a ti ti ss u p e r i o rt om a k ei m a g e p r o c e s su s i n gf p g ai nw o r k i n gv e l o c i t y a n dd e v e l o p i n g c y c l e m a k i n ga n a l y s i s f o r m a n ya l g o r i t h m su s e d i nt h ei m a g ee d g e d e t e c t i n g ，i ti sc o n c l u d e dt h a ti th a sa d v a n t a g e sa n df e a s i b i l i t yi nu s e o f t h es o b e la n dp r e w i t to p e r a t o rt od e s i g nc i r c u i t s 2 a ni m a g ee d g ed e t e c t i n gc o p r o c e s s o rc i r c u i tm o d e li sd e s i g n e d ， t h ef u n c t i o no ft h em o d e li ss i m u l a t e da n dv a l i d a t e du s i n gd i f f e r e n t m e t h o d ss u c ha sm a l a b ，m o d e l s i ma n dh a r d w a r el a n g u a g e a s s e m b l e a v o l o nb u sf o rt h em o d e la n du s ei ta st h ew h o l es y s t e m sp e r i p h e r y 3 t h el c dc o n t r o l l e ra n dt i m i n gs e q u e n c ec i r c u i ta r ed e s i g n e d u s i n gt h ev h d ll a n g u a g et oe n s u r et h el c d s c r e e nw o r k i n gc o r r e c t l y a s s e m b l ea v o l o nb u sf o rt h ec i r c u i ta n du s ei ta st h ew h o l es y s t e m s p e r i p h e r y 4 t h ew h o l es y s t e mc i r c u i ti sd e s i g n e d ，t h eo f f - t h e s h e l fa n d c u s t o mc o m p o n e n t sa r ei n t e g r a t e di n t oas o p cs y s t e mu s i n gt h e q u a r t u s l is o f t w a r e ，a n dt h ep r o g r a mi sd e s i g n e di nt h en i o s l ii d e a t l a s tt h ew h o l es y s t e mi sd o w n l o a d e dt h ef p g ao nt h ea l t e r as t r a t i x e p ls1 0d e v e l o p i n gp l a t f o r mt or u na n db et e s t ，t h er e s u l to ft h e e x p e r i m e n ti n d i c a t e st h ed e s i g no f t h ei m a g ee d g ed e t e c t i n gi sc o r r e c t k e y w o r d s ：s o p c ；i m a g ee d g ed e t e c t i n g ；f p g a ；s o b e lo p e r a t o r ； n i o s l i 广西大学硕士掌位说文 墓于s o p c 的田像边缘检涮系统的研究 1 1 引言 第一章绪论 由于计算机处理能力的不断增强，数字图像处理学科在飞速发展的同时，也越来越 广泛地向许多其它学科快速交叉渗透，使得图像作为信息的利用等方面的作用也变得越 来越重要。与此同时，集成电路芯片技术和电子设计自动化技术也发展迅速，三者在 实际的应用当中找到了结合点。 在实际的图像处理问题中，图像的边缘作为图像的一种基本特征，被经常应用到较 高层次的特征描述，图像识别，图像分割，图像增强以及图像压缩等等的图像处理和分 析的技术中从而可以对图像作进一步的分析和理解【2 】。 边缘检测也是一种基本的图像处理操作，在大多数的图像处理应用当中为了在特征 提取和目标分割之前从图像当中获得信息都会用到它。这个过程检测出一个物体的轮廓 和两个物体之问的边界还有图像里的背景信息等，边缘检测也被用来改善有噪声的或经 过低通滤波后的视频流的图像质量【3 】。 可编程的片上系统s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ，简写为s o p c ) 技术是现代 计算机辅助设计技术、电子设计自动化e d a ( e l e c t r o n i c d e s i g n a u t o m a t i c ，简写为e d a ) 技术和大规模集成电路技术高度发展的产物。s o p c 技术的目标就是试图将尽可能大而 完整的电子系统，包括嵌入式处理器系统、接口系统、硬件协处理器或加速器系统、数 字信号处理d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，简写为d s p ) 系统、数字通信系统、存储电 路以及普通数字系统等，在单一现场可编程门阵列f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 简写为f p g a ) q b 实现，使得所设计的电路系统在其规模、可靠性、体积、功耗、功能、 性能指标、上市周期、开发成本、产品维护及硬件升级等多方面实现最优化。 1 2 课题研究的背景和意义 本文研究的是图像边缘检测处理在可编程逻辑器件上的实现，是利用纯硬件电路进 行图像处理的一次尝试，在实际当中很有实用价值。 1 2 1 电子电路设计的发展 硬件电路方面自2 0 世纪上半叶以来得到了迅速发展，特别是微电子技术、集成电 路设计和工艺技术水平有了很大的提高，单片集成度中每片已能包含上亿个晶体管，从 而使得将原先由许多i c 组成的电子系统集成在一个单片硅片上成为可能，构成所谓的 片上系统s o c ( s y s t e mo nc h i p ，简写为s o c ) ，或系统芯片。与普通的集成电路相比， 广西大掌硕士掌位论文 墓于s o p c 的固像边缘检测系筑的研究 系统芯片不再是一种功能单一的单元电路，而是将信号采集、处理和输入输出等完整的 系统功能集成在一起，成为一个专用功能的电子系统芯片。而其设计思想也有别于普通 i c 。s o c 把系统的处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路及器件的设计紧密结合， 在一片或数片单片上完成整个复杂系统的功能。s o c 的出现，是电子系统设计领域的一 场革命，它对电子信息产业的影响将不亚于集成电路的诞生所产生的影响1 4 - 6 1 。因此， 当今电子系统的设计已不再是利用各种通用i c 或分立元件进行p c b 板级的设计和调 试，而是转向以大规模f p g a 或专用集成电路a s i c ( a p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t 简写为a s i c ) 为物理载体的系统芯片的设计，前者称为s o p c ，后者即为s o c 。另一 方面，由于集成电路工艺的成熟和f p g a 工具的迅速发展，使得电子系统的设计者并不 需要过多地关注半导体集成工艺，完全可以利用现有的成熟工艺，在电子设计自动化 e d a 工具的帮助下完成整个系统从行为算法级( 系统级) 到物理结构级的全部设计，并最 终在f p g a 上实现，或委托i c 制造商进行a s i c 生产【7 1 。 设计方法和设计软件方面，随着电子计算机技术的迅猛发展，计算机辅助设计c a d ( c o m p m e ra i d e dd e s i g n ，简写为c a d ) 技术已经渗入人类经济生活的各个领域。电子 c a d 就是应用c a d 技术进行电子产品的设计、开发和制造。根据电子系统设计中c a d 技术介入的程度，电子系统的设计可以分为人工设计方法和电子设计自动化e d a 方法 嗍。 人工设计方法是一种传统的设计方法，从方案的提出到验证和修改均采用人工手段 完成，尤其是系统的验证需要经过实际的搭试电路来完成。因此这种方法花费大，效率 低，制造周期长。 早期的c a d 方法，是人和计算机共同完成电子系统的设计，即人借助于计算机来 完成数据处理、模拟评价、设计验证等部分工作，这样人们可以设计规模稍大的电子系 统，但设计阶段中的许多工作尚需人工来完成。电子设计自动化是指电子系统的整个设 计过程或大部分设计由计算机来完成。这是2 0 世纪9 0 年代初从c a d ( 计算机辅助设 计) 、c a m ( 计算机辅助制造) 、c a t ( 计算机辅助测试) 和c a e ( 计算机辅助工程) 的概念中发展起来的。因此可以说e d a 是电子c a d 、c a m 、c a t 、c a e 等发展的必 然趋势。 随着大规模集成电路技术和计算机技术的不断发展，在涉及通信、航天、医学、工 业自动化、计算机应用、仪器仪表等领域的电子系统设计工作中，e d a 技术的含量正 以惊人的速度上升；电子类的高新技术项目开发也更加依赖于e d a 技术的应用。即使 是普通的电子产品的开发，e d a 技术也常常会使一些原来的技术瓶颈得以轻松突破， 从而使产品的开发周期大为缩短，性能价格比大幅提高。不言而喻，e d a 技术将迅速 成为电子设计领域中极其重要的组成部分【9 】。 由于数字技术的发展，可编程专用集成电路，即c p l d f p g a 器件，目前得到广泛 的应用，为电予系统的设计带来极大的灵活性。可编程专用集成电路可以通过软件编程 对器件的硬件结构和工作方式进行重构，使得硬件的设计就像软件设计那样方便快捷。 2 广西大掌司仕掌位论文| 0 于s 0 f ，c 的图像边釉澄涮系统的研究 这一切可极大地改变传统的电子系统设计方法、设计过程乃至设计观念。甚至在a s i c 器件设计过程中，利用e d a 技术完成软件仿真之后，在投片之前，也可以先利用f p g a 进行“硬件仿真”。e d a 软件平台的另一个特点是日益强大的仿真测试技术。所谓仿 真，就是把设计的输入输出( 或中间变量) 信号之间的关系由计算机根据提供的设计方 案，根据不同层次的系统性能特点完成一系列准确的逻辑和时序验证。测试技术是在完 成实际系统的安装后，通过计算机对系统上的目标器件进行的所谓边界扫描测试。e d a 仿真测试技术能够极大地提高大规模电子系统的设计自动化程度。 现如今电子电路系统设计的内容非常广泛，系统功能日趋完善和智能化。基于网上 设计的e d a 技术具有标准化的设计方法和设计语言，已经成为信息产业界的共同平台 和电子系统设计的必选技术。 1 2 2 嵌入式系统的发展和数字图像处理的要求 传统的嵌入式系统的开发过程是一种“瀑布”式【l0 l 的设计过程。这种设计方法的最 大特点是从系统设计的开始就将系统所要实现的功能划分到用硬件实现或者用软件实 现，然后分别进行硬件设计和软件设计，最后进行硬件和软件的集成。这种设计方法不 利于修改设计，而且成本相对较高，设计周期较长，不能满足激烈的市场竞争的要求。 为了解决上面的问题，近年来，一些基于硬软件协同设计的嵌入式系统自动化设计 技术，即所谓的快速样机系统【l ”，成为嵌入式系统领域的研究热点。这种嵌入式系统的 设计方法不同于传统的嵌入式系统的设计方法，最主要的有两点：一是硬件和软件的设 计不是各自独立进行设计的，而是从系统级设计到最后的综合均采用硬软件协同设计的 方法。二是系统设计是从与具体实现无关的系统级开始的。采用系统级设计的好处是一 方面可以通过对所设计系统的功能和性能进行验证，及时发现和纠正设计中的错误和问 题，否则到对系统进行综合实现时再发现错误就将对整个设计付出很大的代价；另一方 面，由于系统级设计与具体实现无关，所以即使今后的硬软件划分方法、协同综合方法、 快速样机平台发生变动，都不会对系统的设计造成任何影响。 基于s o p c 的嵌入式系统就属于这样一种快速样机系统，也叫可编程或可重配置的 嵌入式系统。这种系统的软硬件是协同设计的，在一块f p g a 上利用e d a 技术可以放置 c p u ，存储器，自定义逻辑等硬件模块。为了适应不同应用场合或出于节约成本的考虑， 这些模块在保证系统性能不变的情况下可以随意增补或裁减【l ”。而每一个模块都有对应 的软件接口宏定义和系统地址分配，并且是在硬件系统编译的时候自动生成，应用软件 可以直接调用宏对这些地址进行操作 1 3 1 。当系统的硬件改变时不需要改变软件程序。所 以设计者可以灵活的配置硬件，轻松地编写软件，生成的系统易于修改和验证，成本低、 效率高、设计周期短，满足市场竞争的要求。 由于图像处理的数据量相当大，所以在实时处理的时候需要更高的速度且有足够的 运算资源1 1 7 1 。便携式图像处理设备中比如便携式视频监控系统、无线传感器网络中的多 3 - 西大掣“弭士掌位论文基于s o p c 的图像边捌凇潮系统的研究 媒体传感器等往往会进行诸如分割、压缩、传输等等的高层图像处理，所以在便携式设 备中利用嵌入式系统实现边缘检测的处理是迫切需要的。这些需要也是这方面研究的动 力，也是本文研究的意义所在。利用以f p g a 为基础的可重配置的s o p c 嵌入式系统进行 图像处理的开发，在资源、速度、灵活性、成本等各方面都能满足要求。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 利用s o p c 进行图像处理及i p 软核研究现状 国内的对于图像处理硬件实现的研究一种是利用d s p 作主处理器，f p g a 作协处理 器【1 4 1 ，一种是纯利用f p g a 的硬件逻辑实现f 1 5 】。这两种方法都有各自的优点，纯硬件速 度较快但是缺乏控制核心，所以对于大的处理系统很难实现，利用d s p 结合f p g a 的 实现方法在硬件灵活性上还是有所欠缺【1 6 】。针对这些缺点用f p g a 中的处理器i p 软核 做处理器，图像处理i p 作为外围协处理器的设计方案能够高效灵活的完成图像处理的 任务。 上海海事大学的孙伟，龚兆刚【l7 l 等人实现了基于n i o s i i 的l e d 显示屏控制系统， 从系统的角度提出l e d 显示屏控制系统的完整设计方案，给出基于c y c l o n ei i 芯片的 n i o si i 的l e d 控制器框图，并得到在q u a t u si i 中进行仿真的结果。 华中科技大学的李婕、周波1 18 】实现了基于s o p c 的m p e g 2 传输流复用器的设计， 将系统的软件和硬件集成在一款a l t e r a 公司新推出的低成本高密度c y c l o n e 系列现场可 编程门阵歹i j ( f p g a ) 上，不但简化了整个系统，而且实现了稳定、高速、低成本的复用器 设计。 西安电子科技大学的靳刚、庄亦琪【l9 】等人进行了m p e g 4 编码器二维d c t 变换的 f p g a 实现及优化，提出了一种适用于m p e g 4 视频编码系统的二维d c t 的f p g a 设计 方案，该方案具有实时、高精度、易于f p g a 实现的特点，利用f p g a 中较为丰富的 r a m 资源，采用基于r o m 的查找表( l u t ) 来代替乘法器进行乘法运算。 厦门大学的林伟，周剑扬【2 0 j 在f p g a 上实现了一种图像边缘检测的高速滤波器。 对于s o p c 设计中有重要应用的知识产权i p 核( i n t e l l e c t u a l p r o p e r t yc o r e ，简写为 i p ) 在我国也受到重视，它是a s i c 或f p g a 设计不可缺少的部分，国家已经建立了i p 核库但截至2 0 0 6 年在国家核库尚未有边缘检测m 核【2 ”。 在新浪网2 0 0 6 年的国内i p 核的开发和重用情况的问卷调查显示 2 2 1 ，大部分的企业 选择现阶段在我国推广和使用i p 是行业发展的必然阶段( 8 1 5 ) ，说明我国集成电路设 计业的产品定位不再是盲目的，而是理性的，有自己特点的，同时显示伊的重用技术 在国内的推广环境已经较为成熟。2 5 的企业看到了发展i p 的契机，消费类市场的迅速 发展需要i p 重用来加快产品的上市时间，帮助企业更早的占领市场，抢占先机。1 8 5 的企业认为这是国家战略和利益的需要。从长远来看，的确如此。自主知识产权产品的 4 广西大掌司e 士掌位论文 基于s o f c 的田依边缘检测采统的研究 技术含金量是衡量一个国家集成电路产业综合实力的主要指标之一。随着s o c 设计技 术的不断发展，口知识产权将成为竞争的焦点。围绕集成电路产业，组织i p 核的开发 和推广，推进i p 核的发展，是在为国内i t 产业的未来进行最基础的积累，如果不能出 现一批具有自主知识产权的高水平m 核，那么产业链下游的所有i t 产品都将是建立在 别人的核心技术上。 从调查来看，5 4 5 的企业认为版权费用太高是制约i p 使用的瓶颈。我国集成电路 设计企业基本上处于“散、乱、小”的局面，企业迫于生存压力，往往低水平重复开发， 更不可能有足够的资金投入前期研发。而且高昂的版权费用使得企业使用i p 进行设计 时资本投入风险增加。集成电路设计需要昂贵的软硬件设备( 如e d a 软件) ，且中、 高档i p 核的版权费用很高( 如a r m ，每次许可费2 0 - 4 0 万美金) ，面对高额的i p 核的 版权费用，只能望洋兴叹。高昂的设计费用使企业对研发高端产品望而生畏，不利于行 业的整体创新和发展。 在国外由于f p g a 的生产厂商主要是a l t e r a t 2 3 1 和x i l i n x l 2 4 1 两家公司，所以i p 核也主 要是由这两家公司提供，也有第三方公司或个人提供【2 5 】。在d s p 方面的i p 核主要是一 些常规的算法运算核如f f t i f f t ，颜色空间转换器，f i r 滤波器等这些i p 核，在厂家的 网站上有试用版可以下载有限制地使用，若用来商业开发则需要购买版权。s o p c 技术 最早是由美国a l t e m 公司于2 0 0 0 年提出的，随着f p g a 芯片和e d a 软件的不断升级， 它的应用也越来越广泛。 a s i n h a 等人j 提出了一种可重配结构应用于数字图像处理，这种结构采用了硬件 速度快和可编程灵活性的特点，模拟通用处理器来执行处理。 d a g g uv e n k a t e s h w a rr a o 和m u t h u k u m a rv e n k a t e s a n l 2 7 1 利用h a n d l e c 硬件语言在可 重配置器件上实现了c 强n y 边缘检测1 2 8 l 结构，每个时钟周期可产生一个边缘像素。 r o b e r t o l 6 p e z r o s a s 等人【2 9 j 提出了一种基于f p g a 内部流水线和并行处理的结构，利 用s o b e l 算子来检测边缘。由于f p g a 的硬件并行处理功能加快了处理速度，降低了运行 时间，在4 0 m h z 的频率下每秒处理4 3 帧6 4 0 4 8 0 的图像。 目前利用可编程逻辑器件进行图像处理主要是直接在f p g a 上利用硬件描述语言或 e d a 软件进行设计，这种设计方法的最大优点就是速度快，可以利用流水线实现，也具 有一定的灵活性，但是对于规模比较大且外设比较复杂的图像处理系统，比如说便携式 视频系统或监控系统，需要存储、显示等功能，这就必然有多任务的操作，必然会引进 处理器和操作系统。s o p c 技术刚刚起步，是以后嵌入式系统发展的新方向，它的灵活 性，高速度和强大的仿真功能使其应用前景越来越广泛。 1 3 2 嵌入式数字图像处理硬件实现的研究现状 提高图像处理速度是提高系统速度的关键，目前主要有两种手段f 3 0 l ，一是改变图像 处理算法，使算法更简单。但最为耗时的图像低级处理算法已相当成熟，其运算的复杂 广西大掌硕士掌位匏文 基于s o p c 的田1 毫边缘检测系统的研究 度也相对固定，所以改变算法同时又能够保证精度是非常困难的。二是改变实现算法的 手段，即利用不同的硬件实现。目前，实现图像处理算法的手段针对不同的应用需求主 要有以下几种：一、通用计算机；二、并行处理；三、数字信号处理器( d s p ) ；四、专 用集成电路( a s l c ) d 。下面分别介绍： ( 1 ) 通用台式计算机 目前，通用计算机是基于冯诺依曼结构的，通过高级语言( c ，c + + ，f o r t r a n 等) 编写程序代码，经过编译后转换成指令代码，每一条指令代码又包括许多条微指令，每 条微指令都需要数个机器周期，这是目前经常采用的图像处理手段。虽然现在通用计算 机技术发展非常快，由i n t e l 公司生产的p e n t i u m 系列c p u 主频已经接近3 2 g ，但是，整个 过程是单指令单数据的串行处理过程，在很多情况下该系统结构上的局限性使它对低级 图像处理不能够满足实时高速的要求。对于非实时的图像中相对简单的高级处理，它在 性能价格比上有一定的优势。因此，基于通用计算机，采用高级语言编程，它适合各种 图像处理算法的验证，但是无法在便携式设备上使用。 ( 2 ) 并行处理 在许多场合下，单个c p u 不能够实现实时数据处理的时候，采用多个c p u 同时工作 的并行处理为解决此问题提供了可能。各国学者在这方面作了大量的工作，并已经研究 出多种并行结构和编程语言，它克服了单个处理器在硬件上串行工作的局限性，提高了 系统的性能。目前，基于并行处理技术的图像处理主要是在台式机上进行算法的设计， 不能用于便携式设备。 ( 3 ) 数字信号处理器( d s p l 数字信号处理器是近几年发展起来的针对信号处理而设计的处理器，它的内部采用 专用硬件实现一些数字信号处理常用的运算，所以它进行这些运算速度非常快。如乘加 ( m a c ) 运算只需要一个时钟周期( 流水线满的情况) 。随着应用的需求，d s p 发展十分迅 速，如1 1 公司的t m s 系列，从2 x 到s x 系列，从定点到浮点，功能型号非常完善。现在许 多高端工作站为提高系统性能而增) 3 f l d s p 模块，采用d s p 作为协处理器。但是从根本上， d s p 只是对某些固定的运算提供硬件优化，其体系仍是串行指令执行系统，并且这些固 定优化运算并不能够满足众多算法的需要。它无法达到硬件的重构性，但它可以在便携 式设备上使用。 ( 4 ) 专用硬件 专用硬件是针对于某一固定算法或应用而专门设计的硬件芯片。许多图像处理算法 采用通用处理器和d s p 来实现难以满足速度需要，而必须采用专用集成芯片( a s i c ) 来实 现，在各种算法实现中a s i c 是最快的。但是，a s i c 在实际应用中也有其缺点：设计周 期长，造价昂贵且风险高。a s i c 从设计到应用需要较长的时间周期。因属专用硬件所以 需求数量较少，成本也就非常高。由于a s i c 是为专用目的设计的，当算法改变就要重新 设计芯片和硬件电路。所以由a s i c 构建的图像处理系统，可以在便携式设备上使用，只 是缺乏灵活性。 6 广西大掌司e 士掌位论文 | ；于s o p c 的田像边缘检测身；统的研究 微电子技术和集成电路制造技术的飞速发展为实现高速图像处理系统提供了新的 思路和实现方法。大规模可编程逻辑器件( f p g a ) 、是当今应用极为广泛的可编程专用集 成电路，它具有a s i c 电路的硬件结构，又具有可配置的d s p 核，又能嵌入微机算计系统， 可以说它继承了上面提到的( 1 ) ( 3 ) ( 4 ) 的所有优点，且去除了缺点。用户不仅可 以方便地设计出所需的硬件逻辑，而且可以进行静态重复编程和动态系统重配置，使系 统的硬件功能可以像软件一样用编程来修改。这种灵活的可重构性，直接利用硬件执行 的高速度可以实时地进行灵活而方便的更新和开发，大大提高了系统设计的灵活性和通 用性 3 1 - 3 2 l 。 1 4 课题研究的内容及论文结构安排 1 4 1 课题研究内容 本文主要对图像处理中边缘检测的硬件实现进行了研究，在可编程逻辑器件和e d a 软件的平台上进行了分析、论证、设计、实验。主要工作有： 1 分析比较了各种边缘检测算子，找到了适合硬件实现的算法。 2 设计了边缘检测协处理i p 软核模块，并加上v a l o n e 总线成为系统的一部分。 3 设计了l c d 显示的时序控制电路模块。 4 设计了简易c p u 控制电路模块，控制其它模块实现边缘检测功能。 5 对各个模块功能进行实验验证。 6 在s o p cb u i l d e r 中完成整个s o p c 系统的搭建并调试。 1 4 2 论文结构安排 本文共分为五章，第一章是绪论，主要是对课题研究背景，国内外研究现状及本文 主要内容作简要介绍。第二章详细介绍了s o p c 技术，对图像边缘检测算法进行了比较 分析。第三章介绍了整个系统中各个电路模块的设计。第四章对所设计的各个模块进行 了功能实验，并对结果进行了分析。第五章是全文的总结与展望。 广西大掌硕士掌位论文| i 于s o p c 的田1 毫边筠艟谢幕统的研究 第二章s o p c 技术及图像边缘检测算法分析 2 1s o p c 技术 s o p c 技术，即s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p 一可编程片上系统，是以i p 核为基础 的，以硬件描述语言为主要设计手段，借助于以计算机为平台的e d a7 - 具进行的，在 可编程逻辑器件上实现电路功能的技术。s o p c 技术主要是指面向单片系统级专用集成 电路设计的计算机技术，与传统的专用集成电路设计技术相比，其特点有1 3 3 】： 1 设计全程，包括电路系统描述、硬件设计、仿真测试、综合、调试、系统软件 设计，直至整个系统的完成，都由计算机进行。 2 设计技术直接而向用户，即专用集成电路的被动使用者同时也可能是专用集成 电路的主动设计者。 3 系统级专用集成电路的实现有了更多的途径，即除传统的a s i c 器件外，还能 通过大规模f p g a 等可编程器件来实现。 下面对s o p c 概念中的几个关键技术和工具进行简要介绍。 2 i 1 可编程逻辑器件 由于传统的专用集成电路( a s i c ) 设计周期长，改版投资大，灵活性差等缺陷制约着 它的应用范围。硬件工程师希望有一种更灵活的设计方法，根据需要在实验室就能设计、 更改大规模数字逻辑，研制自己的a s i c 并马上投入使用。于是可编程逻辑器件应运而 生【13 1 。 可编程逻辑器件目前主要有两种一是复杂可编程逻辑器件c p l d ( c o m p l e x p r o g r a m m a b l el o 百cd e v i c e ，简称为c p l d ) 另一种是现场可编程逻辑门阵列f p g a 。两 者的功能基本相同，编程等过程也基本相同，只是芯片内部的实现原理和结构略有不同 1 8 】。 简单地讲，可编程逻辑器件是这样一种专用集成电路：内部有大量的门电路，通过 软件编程可以实现这些门电路不同的连接关系，从而整个p l d 对外就完成了不同的功 能，并且这些门电路的连接关系可以不断用软件来改变。 f p g a 与c p l d 是在p a l ，g a l 等逻辑器件的基础上发展起来的。同以往的p a l ， g a l 等相比较，f p g a c p l d 的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块通用i c 芯片。 这种芯片受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。经过十几年的发 展，许多公司都开发出了多种可编程逻辑器件。比较典型的就是x i l i n x 公司的f p g a 器 件和a l t e r a 公司的c p l d 器件系列，它们开发较早，占有了较大的p l d 市场。 尽管f p g a 、c p l d 和其它类型的p l d 的结构各有其特点和长处，但概括起来，它 广西大掌司e 士掌位论文, t g - 于s o f ，c 的田像王乏缘检测习0 统的研究 们是由三大部分组成的【3 4 】，如图2 - 1 所示； ( 1 ) 一个二维的逻辑块阵列( 图中l a b ) ，构成了p l d 器件的逻辑组成核心。 ( 2 ) 输入输出块( 图中i o b ) 。 ( 3 ) 连接逻辑块的互连资源( 图中p i a ) ，即连线资源：由各种长度的连线线段 组成，其中也有一些可编程的连接开关，它们用于逻辑块之间、逻辑块与输入输出块之 间的连接。 图2 l 典型的p l d 框图 f i g 2 1t y p i c a ls c h e m a t i cd i a g r a mo f p l d f p g c p l d 芯片都是特殊的a s i c 芯片，它们除了具有a s i c 的特点之外，还具有 以下几个优点j ： ( 1 ) 随着v l s i ( 超大规模集成电路) 工艺的不断提高，单一芯片内部可以容纳上 百万个晶体管，f p g a c p l d 芯片的规模也越来越大，其单片逻辑门数已达到上百万门， 它所能实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集成。 ( 2 ) f p g a c p l d 芯片在出厂之前都作过百分之百的测试，不需要设计人员承担投 片风险和费用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯 片的最终功能设计。所以，使用f p g a ，c p l d 的产品，资金投入少，节省了许多潜在的 花费。 ( 3 ) 用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同的软 件就可以实现不同的功能。所以，用f p g a c p l d 试制样片，能以最快的速度占领市场。 f p g a 庀p l d 开发软件包中有各种输入工具和仿真工具，及版图设计工具和编程器等全 线产品，电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译、优化、仿真、直至 最后芯片的制作。当电路有少量改动时，更能显示出f p g a c p l d 的优势。电路设计人 员使用f p g p l d 进行电路设计时，不需要具备专门的i c 深层次知识，f p g a c p l d 开发软件易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计，快速将产品推向市场。 对用户而言，c p l d 与f p g a 的内部结构稍有不同，但用法一样，所以多数情况下， 不加以区分。另外，不同厂家的叫法不尽相同，x i l i n x 公司把基于查找表技术、s r a m 工艺、要外挂配置用的p r o m 的p l d 叫f p g a ；把基于乘积项技术、f l a s h 工艺的p l d 9 广西大掌礓士掌位论文 | l 于s o p c 的田像边翻l 检测j ：娩的研究 叫c p l d ；a l t e r a 公司把自己的p l d 产品：m a x 系列( 乘积项技术，e 2 p r o m 工艺) 和f l e x 系列( 查找表技术，s r a m 工艺) 都叫做c p l d ，由于f l e x 系列也是s r a m 工艺、基于查找表技术、要外挂配置用的e p r o m ，用法和x i l i n x 公司的f p g a 一样， 所以很多人把a l t e r a 公司的f l e x 系列产品也叫做f p g a 。二者统称为可编程逻辑器件。 2 1 2 设计与仿真软件 s o p c 技术属于e d a 范畴，所以电路设计软件就显的十分重要。当前生产 f p g a c p l d 的x i l i n x 和a l t e r a 两家公司推出了各自的开发软件，x i l i n x 的i s e 系列和 a l t e r a 的q u a r t u s l i 系列。由于本文中的设计使用的是a l t e r a 公司的产品，所以这里只是 介绍一下q u a r t u s l i ，对于i s e 系统可参考其它文献【3 5 】介绍。 q u a r t u s 软件是a l t e r a 公司的综合开发工具，它集成了a l t e r a 公司的f p g a c p l d 开发流程中所涉及的所有工具和第三方软件接口【3 4 】。通过使用此综合开发工具，设计者 可以创建组织和管理自己的设计。支持多时钟定时分析、基于块的设计、s o p c 设计， 内嵌s i g n a l t a p l l 逻辑分析器、功率估计器等高级工具；易于管脚分配和时序约束；强大 的h d l 综合能力；包含有m a x + p l u s l i 的用户界面，且易于由m a x + p l u s l i 开发的工程 平稳地过渡到q u a r t u s l i 开发环境；对于要求速度优化的设计具有很好的效果；支持器 件种类众多；支持w i n d o w s 、s o l a r i s 、h p u x 和l i n u x 等多种操作系统；第三方工具如综 合。仿真等的链接。 q u a r t u s l i 软件 3 6 1 允许用户在设计流程的每个阶段使用q u a r t u s l l 软件图形用户界面、 e d a 工具界面或命令行方式。如表2 1 所示为q u a r t u s i 软件图形用户界面为设计流程 的每个阶段所提供的功能。 设计输入是使用q u a r t u s l i 软件的e d a 设计输入工具，以模块输入方式、文本输入 方式或c o r e 输入方式等表达用户的电路构思，同时使用分配编辑器( a s s i g n m e n t e d i t o r ) 设定初始设计的约束条件。 综合是将h d l 语言、原理图等设计输入翻译成由与门、或门、非门、r a m 、触发 器等基本逻辑单元组成的逻辑连接( 网表) ，并根据目标与要求( 约束条件) 优化所生 成的逻辑连接输出e d f 或v q m 等标准格式的网表文件，供布局布线器进行实现。除了可 以用q u a r t u s l i 软件的a n a l y s i s & s y n t h e s i s 命令综合外，也可以使用第三方综合工具，生 成与q u a r t u s l i 软件配合使用的e d f 网表文件或v q m 文件。 布局布线的输入文件是综合后的网表文件，q u a r t u s l i 软件中布局布线包含分析布局 布线结果，优化布局布线、增量布局布线和通过反标保留分配等。 时序分析是允许用户分析设计中所有的逻辑的时序性能，并协助引导布局布线过 程，以满足设计中的时序分析要求。默认情况下，时序分析作为全编译的一部分自动运 行，它观察和报告时序信息，如建立时间、保持时间、时钟至输出延时、最大时钟频率 以及设计的其它时序特性。可以使用时序分析生成的信息，来分析、调试和验证设计的 1 0 j l g - y - s o p c 的图像边筠凇涮寡溉的研究 时序性能。 表2 - 1q u a r t u s l l 软件图形用户界面的功能 t a b l e 2 1f u n c t i o n so f g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c ei nt h eq u a r t u s l l 设计输入系统设计综合 t e x te d i t o r s o p cb u i l d e r 。a n a l y s i s s y n t h e s i s b l o c k & s y m b o le d i t o r d s pb u i l d e r v h d l 、v e r i l o g h d l 、a h d l