運(yùn)用FPGA進(jìn)行控制平面/數(shù)據(jù)平面視頻處理

　　采用C-to-FPGA工具實(shí)現(xiàn)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)

　　C-to-FPGA編譯器可以讓開(kāi)發(fā)人員使用新的開(kāi)發(fā)工具集和新技術(shù)解決軟件/硬件開(kāi)發(fā)問(wèn)題。開(kāi)發(fā)人員可以先在軟件中進(jìn)行算法編碼。經(jīng)驗(yàn)告訴我們，在軟件中開(kāi)發(fā)算法較在硬件中開(kāi)發(fā)算法的效率更高。具體原因如下：首先，諸如C語(yǔ)言能夠讓編程人員在高級(jí)軟件語(yǔ)言的層面上開(kāi)發(fā)算法，而這是使用Verilog或者VHDL硬件描述語(yǔ)言所不能達(dá)到的；其次，與同類(lèi)的硬件開(kāi)發(fā)工具相比，針對(duì)C語(yǔ)言的調(diào)試和測(cè)試工具運(yùn)行速度更快、效率更高，通常也更易于使用。相當(dāng)于硬件算法，C語(yǔ)言算法可以在目標(biāo)處理器上全速運(yùn)行，而硬件算法需要先在仿真程序上完成測(cè)試和調(diào)拭；最后，C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)工具較同類(lèi)硬件開(kāi)發(fā)工具的成本要低得多。因此，工程人員一般傾向于在C語(yǔ)言或者類(lèi)似的高級(jí)語(yǔ)言中開(kāi)發(fā)算法。

　　一旦使用C語(yǔ)言這樣的軟件語(yǔ)言完成對(duì)某個(gè)算法的驗(yàn)證，設(shè)計(jì)人員必須測(cè)量其性能，并確定該算法是否能夠完全在嵌入式處理器或是完全在硬件上運(yùn)行、或者硬軟件混合協(xié)處理實(shí)施方案是否為最佳選擇。在這種判斷過(guò)程中可以采用性能分析工具。如果代碼必須被轉(zhuǎn)到硬件上，則設(shè)計(jì)人員必須手工轉(zhuǎn)換算法，或者使用C-to-FPGA工具。

　　C-to-FPGA工具可以讓開(kāi)發(fā)人員迅速把算法轉(zhuǎn)換成HDL代碼，優(yōu)化生成的硬件處理器，并執(zhí)行假設(shè)場(chǎng)景平衡性能和FPGA資源。該工具還能夠讓軟件工程師使用FPGA內(nèi)部的高性能數(shù)據(jù)處理邏輯，從而變身為硬件工程師。

　　使用Linux把處理器連接到FPGA

　　與FPGA制造商合作的Linux供應(yīng)商已經(jīng)開(kāi)發(fā)完成了可讓處理器與FPGA通信并對(duì)其進(jìn)行控制的驅(qū)動(dòng)程序。首先，您必須針對(duì)該I/O器件配置Linux。配置步驟由兩個(gè)步驟組成。首先，把定制的驅(qū)動(dòng)程序加載到Linux內(nèi)核中：

　　隨后，將驅(qū)動(dòng)程序注冊(cè)到特定的器件號(hào)碼（比如253）：

　　通信是通過(guò)開(kāi)啟該I/O器件、然后對(duì)該器件進(jìn)行讀寫(xiě)而完成的，示例代碼段如下所示：

　　FPGA的優(yōu)勢(shì)

　　信號(hào)處理器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)帶寬要求往往會(huì)超過(guò)通用處理器能經(jīng)濟(jì)地獲得的水平。在這種情況下，設(shè)計(jì)人員一般會(huì)把他們的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)劃分為兩個(gè)處理功能：使用通用處理器進(jìn)行控制處理，另外使用諸如FPGA等硬件加速器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。這樣就構(gòu)成了一個(gè)控制平面/數(shù)據(jù)平面處理系統(tǒng)。

　　FPGA非常適用于同時(shí)實(shí)施控制平面和數(shù)據(jù)平面功能。一個(gè)FPGA可以包含一個(gè)或者多個(gè)像MicroBlaze這樣軟處理器，和/或像PowerPC這樣的硬處理器。將它們集成到FPGA中可以實(shí)現(xiàn)控制平面處理器和數(shù)據(jù)平面處理系統(tǒng)之間的低時(shí)延、高帶寬通信。

　　借助向?qū)Ш皖A(yù)先構(gòu)建的參考設(shè)計(jì)，針對(duì)嵌入式和數(shù)據(jù)處理功能的系統(tǒng)編譯簡(jiǎn)單明了。通過(guò)把在C語(yǔ)言中構(gòu)建的算法原型轉(zhuǎn)換到高性能硬件處理單元，C-to-FPGA工具有助于優(yōu)化這一進(jìn)程。最后，可以利用現(xiàn)在可用的Linux驅(qū)動(dòng)程序方便地完成處理器和FPGA信號(hào)處理流水線(xiàn)之間的通信及控制編碼。

　　我們的案例研究是一個(gè)典型的應(yīng)用示例。在這個(gè)例子中，通過(guò)低成本通用處理器處理HD視頻流是不合實(shí)際的，但是可以通過(guò)FPGA內(nèi)部的信號(hào)處理流水線(xiàn)輕松加以解決。處理器隨即被釋放出來(lái)用于提供用戶(hù)界面、網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)管理功能，并同時(shí)監(jiān)測(cè)和控制信號(hào)處理流水線(xiàn)。