裝備無線自動跟蹤攝像頭的警用車輛支持系統(tǒng)*(下)

　　uClinux 上 C2H 加速的 JPEG 壓縮

　　按JPEG標準進行的圖像壓縮大小為640x400。libjpeg的前向式DCT函數(shù)被加速器取代；該加速器使用C2H編譯器開發(fā)而成，可以在uClinux環(huán)境中進行訪問。將C2H加速器與uClinux 結(jié)合非常重要，因為它要與其它任務(wù)同時運行。對libjpeg(標準庫)進行加速使我們可以無需增加額外的DSP芯片或任何常見的軟件就能獲得性能的提升。使用libjpeg的應(yīng)用程序可以通過重新編譯提高壓縮性能，而不必修改任何代碼。

　　自定義的OBD-II接口

　　車輛都有一個用于進行系統(tǒng)管理的發(fā)動機控制單元(ECU)。警用車輛上也有這樣的設(shè)備。對于新近制造的車輛來說，ECU是一個非常重要的組件，其作用是將發(fā)動機與各種電子控制部件結(jié)合起來。OBD-II是一個接口，可以將計算機或診斷工具連接到ECU以便進行車輛維護，它可以實現(xiàn)設(shè)備間的通信。

　　OBD標準有很多種，具體取決于車輛的制造商。本項目采用的是ISO9141-2國際標準。通過 OBD-II，可以了解車輛的行駛速度、燃油狀態(tài)和車輛的故障情況。其初始化過程為5波特，通信速度為10.4k波特。對于接收到的信息部分字節(jié)，必須進行補充并將其發(fā)送到ECU進行通信。在SoPC平臺上使用的是UART組件，因為它與串行通信類似。

　　性能參數(shù)

　　表1 列出了在圖像處理模塊上發(fā)送控制信號，到步進馬達上接收初始操作信號之間的時間間隔。該時間間隔是通過示波器測量得出的。通過 GPIO 接口啟動步進馬達后，在軟件程序控制器中，Nios處理器會接收中斷信號，并生成操作信號。

　　汽車跟蹤攝像頭的速度主要取決于圖像處理性能。表2顯示了基于不同平臺的每種跟蹤算法的測試幀速率。實際上，DE2的幀速率接近60幀/秒，因為圖像處理模塊以隔行掃描模式運行；但是，我們根據(jù)有效幀的數(shù)量將其標記為29幀/秒。

　　另一個結(jié)果是，C2H加速的libjpeg的DCT函數(shù)可以實現(xiàn)JPEG的快速壓縮。640x400的24 位位圖經(jīng)過了20倍強壓縮以實現(xiàn)精確的測量。使用C2H編譯所顯示出來的性能比這種沒有加速器設(shè)計的性能要差。要解決此問題，我們更改了緩沖區(qū)管理方法。在修改了DCT函數(shù)后，性能提升了4倍。

　　我們在設(shè)計該系統(tǒng)時，考慮了在 uClinux 系統(tǒng)上使用 USB 調(diào)制解調(diào)器時的性能下降問題。然而事實顯示，網(wǎng)絡(luò)性能與在 PC 環(huán)境中運行的性能幾乎相同。

　　設(shè)計的體系結(jié)構(gòu)

　　整個系統(tǒng)由 uClinux 操作系統(tǒng)控制。包括圖像處理模塊在內(nèi)的攝像頭控制系統(tǒng)和子系統(tǒng)由完整的 FPGA 組成。

　　標準 JPEG 庫 libjpeg 的 DCT 函數(shù)被更改為 C2H 加速器。圖像處理模塊、VGA 控制器和步進馬達控制器被組合成一個單獨的 SoPC 組件。總共消耗了 31000 LE。

　　設(shè)計描述

　　組合uClinux和C2H

　　使用操作系統(tǒng)可以靈活地在復(fù)雜的多設(shè)備環(huán)境系統(tǒng)中進行開發(fā)。uClinux內(nèi)核是適合于非 MMU處理器的操作系統(tǒng)內(nèi)核。由于uClinux系統(tǒng)中沒有內(nèi)存管理單元，因此可以極大地簡化基于 Nios 處理器對定制的硬件加速器進行訪問的應(yīng)用程序的使用。

　　在 Nios IDE 環(huán)境中編寫的代碼經(jīng)過很少的更改或無需更改即可在 uClinux 下的多任務(wù)環(huán)境中運行，因為在 uClinux 中對內(nèi)存映射地址的寫操作沒有限制。

　　我們可以通過常用的技術(shù)在uClinux上使用C2H加速器。將 C2H 加速器從 Nios IDE 移到 uClinux 上所需步驟如下：

　　第一步是生成一個臨時項目。然后，在Nios IDE中編譯并生成加速器?，F(xiàn)在，我們可以在 Debug目錄中看到加速器的打包函數(shù)。將這些頭文件(Header file)和打包函數(shù)復(fù)制到 uClinux開發(fā)目錄中。如果您尚未對FPGA編程，則進行該項編程。

　　下一步是使用Nios的gcc工具和elf2flt選項編譯經(jīng)過加速的應(yīng)用程序。確保必需的頭文件(如 system.h 或 io.h)存在。在完成此步驟后，將生成的執(zhí)行文件復(fù)制到單片機上。在大多數(shù)情況下，它的速度會比僅使用軟件的系統(tǒng)要快。

　　可惜的是，我們在將 libjpeg DCT 函數(shù)轉(zhuǎn)換成加速器時面臨著性能方面的問題。我們將在接下來的部分介紹針對性能問題的解決方案。

　　優(yōu)化C2H編譯器的JPEG庫

　　一般情況下，開發(fā)人員會考慮使用DSP進行JPEG壓縮，但 DSP 需要有自己的軟件程序來提供支持。選擇可以加速libjpeg的C2H編譯器是一個正確的決定，因為許多現(xiàn)有應(yīng)用程序都使用作為JPEG標準庫的libjpeg。

　　但是，在使用C2H編譯器轉(zhuǎn)換原始的DCT函數(shù)時，它所顯示的性能比僅使用軟件設(shè)計的性能低。從結(jié)構(gòu)上來說，對數(shù)據(jù)高速緩存的刷新是一個問題，它的數(shù)據(jù)處理工作是以64個字節(jié)為單位進行的。我們設(shè)計了適合于C2H編譯器的經(jīng)過優(yōu)化的緩沖區(qū)管理系統(tǒng)。這個管理器實現(xiàn)了 4 倍的性能提升。

　　創(chuàng)建自定義的 SoPC 組件

　　每個部件都由VerilogHDL單獨設(shè)計，并作為一個組件添加到SoPC中。圖像處理模塊、VGA 控制器和步進馬達控制器被組合成一個單獨的SoPC組件，因為這些部件相互之間都有密切的關(guān)聯(lián)。這些組件作為Avalon Master的組件在 SRAM 上寫入圖像數(shù)據(jù)。

　　使用自定義指令對 MPEG 音頻進行解碼

　　在使用Nios II處理器和uClinux的環(huán)境中播放MPEG音頻存在三個主要問題：處理器性能、FIFO的大小以及在uClinux中用于輸出的設(shè)備驅(qū)動程序。

　　我們發(fā)現(xiàn)，100 MHz Nios II處理器在Cyclone II芯片上對立體聲128Kbps 44.1KHz MP3音頻進行解碼時會有性能損失。如果FIFO足夠大，則可以在該系統(tǒng)中播放單聲道音頻，但CPU會一直分配用于播放音頻的性能。

　　我們在Nios處理器上添加了使用自定義指令的64位乘法器以實現(xiàn)64位乘法計算；這種運算方法在Libmad庫中經(jīng)常用到。播放的性能提升了大約2.5倍，用于計算的時鐘使用率有所降低。

　　還有其它一些原因使音頻播放質(zhì)量不佳。首先是采樣率不好，其次是緩沖區(qū)大小不足，最后是多任務(wù)處理環(huán)境。音頻將參考使用 17 MHz 的時鐘。