C2H技術在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

由于傳統(tǒng)技術的限制，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的性能很難有較大的提升。為了解決這個問題，在分析視頻監(jiān)控系統(tǒng)各部分時耗的基礎上，引入了C2H（C-to-Hardware）新技術對系統(tǒng)中耗時大的環(huán)節(jié)——數(shù)據(jù)讀寫環(huán)節(jié)進行硬件加速，有效的提高了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的性能。通過測試數(shù)據(jù)表明，視頻監(jiān)控系統(tǒng)中應用了C2H 技術加速后，數(shù)據(jù)讀寫速度提升十幾倍，使整個系統(tǒng)性能得到明顯提高。

　　0 引 言

　　隨著視頻監(jiān)控系統(tǒng)的廣泛應用，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)的高速采集應用中，傳統(tǒng)技術在處理速度上面臨著嚴峻的考驗，當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。這個技術的實質(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 技術應用于視頻監(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，在推出短短的一年時間內(nèi)就得到了嵌入式及FPGA 設計者的廣泛使用。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，分擔了處理器的數(shù)據(jù)計算和存儲器訪問任務，使處理器能夠更好的處理其他任務。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的調(diào)試，直到性能符合設計要求。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)的設計

　　設計中選用的是 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，滿足當前系統(tǒng)的設計要求。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)從底層的硬件設計到上層的軟件開發(fā)。

　　2.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的總體設計

　　本文中設計的視頻監(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)的硬件設計框圖如下圖1 所示：

圖1 系統(tǒng)硬件設計框圖