摘 要：介紹了以ARM+DSP" title="DSP">DSP體系結(jié)構(gòu)為基礎的FPGA" title="FPGA">FPGA實現(xiàn),。在其上驗證應用算法,，實現(xiàn)了由ARM負責對整個程序的控制，由DSP負責對整個程序的計算,，最大程度地同時發(fā)揮了ARM和DSP的各自優(yōu)勢,。
關(guān)鍵詞：ARM  DSP FPGA

    ARM通用CPU及其開發(fā)平臺，是近年來較為流行的開發(fā)平臺之一,，而由ARM+DSP的雙核體系結(jié)構(gòu)，更有其獨特的功能特點：由ARM完成整個體系的控制和流程操作,，由DSP完成具體的算法和計算處理,。這樣，不但可以充分地發(fā)揮ARM方便的控制優(yōu)勢,，同時又能最大限度地發(fā)揮DSP的計算功能,。這在業(yè)界已逐漸成為一種趨勢。
　　本文的FPGA的Demo驗證,，是在基于一款DSP內(nèi)核處理器的研發(fā)基礎上,，對其功能進行驗證的一個小目標識別算法的實現(xiàn)?？紤]到軟件環(huán)境仿真的速度以及仿真模型的局限性,，用FPGA進行硬件協(xié)同驗證。這樣,，既能夠保證仿真的真實性,，又能夠快速發(fā)現(xiàn)實際問題，減少不必要的流片次數(shù),，加快開發(fā)的進程,，這對于一個大規(guī)模的SoC設計,，已經(jīng)成為不可或缺的手段之一，而且對節(jié)約成本也有很大好處,。
1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
　　雙核系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

1.1 內(nèi)嵌ARM內(nèi)核的EPXA1芯片及其特點
    圖1中，包含ARM922T內(nèi)核的開發(fā)平臺選用的是Altera公司的excalibar系列,，本驗證實現(xiàn)選用的型號是EPXA1,。EPXA1是一款帶有100萬門可重配置PLD的ARM Core+PLD體系結(jié)構(gòu)，可以通過quartus II軟件工具來靈活配置ARM Core同外部的端口連接,，最大時鐘頻率能夠達到200MHz,。EPXA1的高度集成化，不僅大大加快了ARM與片內(nèi)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，真正實現(xiàn)了SOPC^[1],。
1.2 FPGA硬件平臺及其特點
　　對于一個具體項目,，F(xiàn)PGA芯片的選取要根據(jù)實際需求和特點來具體考慮。一般應從邏輯資源需求,、易擴展能力,、信號質(zhì)量以及成本等因素來考慮。如圖1所示,，本次設計采用的兩片F(xiàn)PGA分別為Xilinx" title="Xilinx">Xilinx公司的FPGA X3S5000和X2V6000,，其容量分別為500萬門和600萬門。選用這兩塊芯片正是基于邏輯資源需求的考慮,。FPGA X2V6000面向高端應用,，存儲資源更多，功能更強大,，適用于性能要求較高的DSP內(nèi)核,，但其成本相對也較高；而FPGA X3S5000成本較低,，適用于一般性能要求的模塊,。兩片F(xiàn)PGA都具備三個擴展槽，可做接口擴展,，同時也能作為調(diào)試測試點用,。
1.3 雙核體系結(jié)構(gòu)設計特點
　  具體來講，整個體系結(jié)構(gòu)是指通過人為設計電路圖,，外部選用不同的FPGA器件來下載生成特定功能的外部硬件電路,，在電路圖上對應相應的端口標號；同時，ARM Core可以通過quartus II工具方便地連接不同的端口標號,，編譯運行生成相應的配置文件,；ARM的啟動代碼中用以上的的配置文件信息來配置PLD，從而實現(xiàn)ARM同外部硬件電路即兩片F(xiàn)PGA的連接[3],。FPGA X3S5000中下載固化AHBC硬件電路以及外部SRAM Memory,，而FPGA X2V6000中下載固化DSP Core以及支持AMBA協(xié)議的Wrapper。
　 這種體系結(jié)構(gòu)能夠充分利用硬件資源,，合理的版圖位置方便了ARM和DSP對外部SRAM的訪問,，同時可快捷地實現(xiàn)ARM的控制功能，而且預留的擴展槽能夠較為方便地進行功能擴展和調(diào)試,。DSP Core的Wrapper能夠快速響應ARM的控制請求,，調(diào)動DSP Core進入不同的工作狀態(tài)。
2 系統(tǒng)工作流程及特點
    系統(tǒng)工作流程圖如圖2所示,，介紹如下,。

2.1 ARM負責準備階段
　　ARM從Flash中運行啟動代碼，通過配置PLD來連接FPGA X3S5000中的AHBC,，目的在于ARM通過AHBC同F(xiàn)PGA X2V6000中的DSP Core進行交互,。
　　代碼喚醒外部DMA通過以太網(wǎng)口從PC機端搬運第一幀待處理的圖像數(shù)據(jù)，放到雙核公用的外部SRAM memory既定的地址段中,。然后,，ARM Core通過AHBC控制FPGA X2V6000中的DSP Core。
    這里需要說明兩點：
    (1) FPGA開發(fā)板的的圖像傳輸是通過專門配置的帶有LXT972芯片的以太網(wǎng)口與PC機的以太網(wǎng)口進行交互,， 如圖3所示,。圖3左邊的以太網(wǎng)子板即圖1中的Ethernet模塊。

    (2) DSP Core頂層的wrapper是支持AMBA協(xié)議的TOP Module,，其中包括一個Debug Sub-Module,。ARM就是通過讀寫Debug Sub-Module的控制寄存器來控制DSP Core的啟動、停止等工作狀態(tài)的,。所以說，Debug Sub-Module是整個FPGA工程最為關(guān)鍵的部件之一,，它直接關(guān)系到ARM和DSP之間的交互,。本項目中，利用Debug Sub-Module實現(xiàn)對DSP Core的復位,、啟動,、暫停、斷點設置,、單步運行,、讀寫內(nèi)部SRAM、讀DSP Core寄存器等一系列功能,，大大方便了調(diào)試工作,，同時也非常便捷地實現(xiàn)了ARM和DSP的交互運行,。
2.2 DSP運行階段
    ARM寫控制寄存器使DSP Core復位，并把小目標識別的程序代碼寫入DSP內(nèi)部的SRAM0中等待DSP啟動運行,，由ARM控制DSP Core運行起來,。DSP Core運行完程序之后，會在外部SRAM的一個地址上返回一個標志數(shù)（0x00ff00ff）,，同時進入idle狀態(tài),，完全釋放對AHBC的操作。每隔一段時間,，ARM檢查一下相應地址上的這個標志數(shù),，如果沒有，則表示程序還未運行完,，ARM繼續(xù)檢查,；如果有，則表示程序已經(jīng)運行完畢,，ARM將進入下一步操作,。
    選用這種流程有兩個特點：(1)ARM完全實現(xiàn)了控制和輔助的作用，而運行部分則完全由DSP負責,，各自分工明確,。(2)ARM和DSP實現(xiàn)了很好的交互，嚴謹?shù)乜刂屏肆鞒痰倪\行步驟,。
2.3 ARM控制停止返回
　 ARM通過寫控制寄存器把DSP Core停下來,，從外部SRAM的既定地址段中取出DSP Core運行完所返回的小目標的坐標信息，并通過以太網(wǎng)口返回到PC機端,，在顯示界面的此幀圖像上顯示出小目標,。圖4為其中一幀圖像的處理結(jié)果顯示。

　　ARM擦除DSP Core運行完畢的標志數(shù),，同時判斷當前處理完的圖像是否為最后一幀,，如果不是，則流程跳回DMA搬運步驟去執(zhí)行下一幀圖像,，同時加上必要的控制,，避免寫程序的重復執(zhí)行；如果是,，則結(jié)束整個程序運行,。這樣循環(huán)下去，直到所有圖像序列處理完畢,。
　　這個過程充分顯示了ARM在控制流程的判斷跳轉(zhuǎn)方面所起到的主要作用,。由ARM的平臺來實現(xiàn)對整個視頻序列的最終處理控制過程，顯得非常清晰便捷。
3 體系架構(gòu)的調(diào)試
3.1 FPGA的選取
    FPGA的選取一定要合適（這里主要針對容量而言）,。以本開發(fā)過程為例,， Xilinx的兩片F(xiàn)PGA（X2V6000和X3S5000）的容量分別為600萬門和500萬門左右，而項目的硬件代碼容量卻稍微超出了這個范圍,，所以不得不對一些模塊作精簡和舍棄,。即便如此，兩片F(xiàn)PGA的利用率都已大于90%,。
　　一般來說,，F(xiàn)PGA的利用率達到70%或多一些是比較好的，太高的利用率反而容易造成板子的不穩(wěn)定,。本開發(fā)過程就有一些不穩(wěn)定因素,，例如，因一些數(shù)據(jù)線,、地址線的個別位傳輸值不正確,，需要花大量的精力才能追查出這些存在問題的線路，然后更換Bonding連接,，選用其他的通路,。同時，所造成的不穩(wěn)定因素也會影響下載代碼的運行速度,。目前經(jīng)過Xilinx的軟件工具ISE綜合出來的FPGA可下載代碼受時序約束,，所能達到的速度上限為25MHz時鐘頻率。
    容量大的FPGA的成本同樣也會比較高,，所以在研發(fā)需要和成本之間必須找到一個比較好的平衡點,，這在整個電路設計階段就要預測得比較好，但這不太容易做到,，需要經(jīng)驗的積累,。
3.2 觀測點的預留
    開發(fā)板在設計電路圖階段，一定要預留出足夠的觀測點,。這一點非常重要,。因為：在后來的調(diào)試過程中，當出現(xiàn)問題時需要追查線路,，而目前的FPGA調(diào)試軟件還不成熟,，并不像RTL代碼前端仿真那樣方便，能夠把所有的信號都輸出到屏幕上觀看,，而且FPGA調(diào)試時使用的邏輯分析儀只能夠測量觀測點的信號波形，如果觀測點不夠的話,，當出現(xiàn)邏輯錯誤時,，根本沒辦法追查下去，找不到問題的所在，或者需要做相當繁瑣的重復工作,，才能把估計存在問題的線路節(jié)點信號連（Bonding）到僅有的觀測點上,。如果經(jīng)排查，估計得不正確或者需要進一步拉出更多的其他信號時,，又需要重新花時間將節(jié)點新信號連到觀測點,。這樣，會耗費非常多的時間和精力,。因為對每一次新的節(jié)點生成一版新的FPGA下載代碼都很煩瑣,。
    所以，從電路的設計之初,，預留出足夠的觀測點,，盡量將更多的節(jié)點信號連到觀測點上。這樣將會極大地方便調(diào)試工作,，加快整個研發(fā)進程,。
3.3 FPGA調(diào)試的原則
     FPGA的調(diào)試應該按照由簡入繁的步驟進行。這樣可以方便研發(fā)人員快速地熟悉板子,，并且容易定位問題的所在,。
     由于整個ARM+DSP體系結(jié)構(gòu)是由ARM加上兩塊FPGA共同工作，相對比較復雜,，相互之間交互性比較多,。所以，在調(diào)試整個程序之前,，可以先通過另外的小程序和硬件結(jié)構(gòu)分別調(diào)通ARM對兩片F(xiàn)PGA的交互,；然后，再用較為簡單的功能模塊調(diào)試好三塊片子的簡單交互功能,；最后,，把整個大程序應用在上面進行嘗試。這樣一步步下來,，出現(xiàn)問題時,，就比較容易發(fā)現(xiàn)問題所在，方便調(diào)試,。
    例如,，可以先不考慮FPGA X2V6000，單獨調(diào)試ARM通過FPGA X3S5000中的AHBC對外部SRAM讀寫的控制,，成功之后,，再將FPGA X2V6000考慮進去，但先不考慮Debug模塊對DSP的控制,，單獨將Debug模塊提取出來,，下載到FPGA X2V6000當中,；然后再調(diào)試ARM通過FPGA X3S5000中的AHBC對于FPGA X2V6000當中的Debug模塊的控制寄存器的讀寫情況等。
3.4 軟硬件協(xié)同驗證
    軟硬件協(xié)同驗證是較好的驗證方式（或調(diào)試方式）,，二者都是為了保證系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)正確的有效手段,。在整個FPGA系統(tǒng)實現(xiàn)過程中，非常有必要結(jié)合前端軟件仿真波形來參照調(diào)試系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的功能運行情況,，這樣可以大大簡化研發(fā)進程,，有效地縮短調(diào)試周期?？梢哉f,，如果不結(jié)合前端軟件仿真波形來協(xié)同驗證的話，要想實現(xiàn)一個較為復雜的體系結(jié)構(gòu)是非常困難的,。
    一般而言,，對于這樣一個較為復雜的體系結(jié)構(gòu)需要先進行前端RTL代碼的軟件仿真，因為前端仿真對于糾正RTL級代碼以及功能方面的錯誤是非常方便的,，而且它所需要的驗證周期和糾錯難度比硬件的FPGA驗證要有利得多,。但是FPGA硬件驗證，其真實性又是非?？煽康?。所以驗證波形完全調(diào)試通過之后，可以非常有效地指導FPGA的實現(xiàn),。當FPGA在調(diào)試某項功能時出現(xiàn)了問題,，可以通過邏輯分析儀將可疑端口節(jié)點出來的觀測點波形導出來對照軟件仿真波形來查找問題，這是一種非常有效的手段,。
3.5 Demo演示速度的調(diào)整
    目前,，開發(fā)板選用的晶振頻率為24MHz，穩(wěn)定的演示版本速度能夠達到28幀/秒,，為人眼所能接受的連續(xù)視頻速度,，效果已經(jīng)相當好。這是經(jīng)過了各種調(diào)試才達到的效果,。主要原因在于考慮比較周全：DMA在傳輸圖像序列的時候,，所用到的FIFO在設計之初就考慮到了FPGA的容量和利用率，認識到其容量有限,，在現(xiàn)有的FIFO容量下,，要想調(diào)整到一個DMA與PC機雙方網(wǎng)口傳輸速度的精確狀態(tài)不太容易，如果運行速度太快,，交互同步不準確,，就會有丟包的現(xiàn)象發(fā)生；如果為了更方便的調(diào)試和達到更好的速度性能,，可以選用更大容量的FPGA,，設計更大容量的FIFO,，這樣每一次圖像傳輸就可以傳送更多的圖像數(shù)據(jù)，減少DMA搬運的次數(shù),，傳輸雙方的交互過程較為容易控制。表1給出了從開始演示速度不理想到較為理想所做的調(diào)整過程,。從表1中可以看出,，單獨調(diào)整晶振頻率，速度提升并不明顯,。這說明了速度瓶頸不在硬件代碼性能上,，關(guān)鍵在于演示界面的軟件代碼、ARM的Cache打開與否以及圖像搬運的速度三方面,。同時還可以看出Cache的打開對于速度影響很大,，說明ARM的取指速度受到影響。目前ARM的運行指令是放在Flash中,，如果改成從SRAM中取指,，估計效果會更加理想。

    從以上分析可見,，ARM在整個設計中所起的主要作用是控制圖像的輸入輸出,，以及循環(huán)控制DSP Core的運行停止等狀態(tài)；DSP Core的主要作用是處理運算應用程序,，計算小目標識別程序,。這樣既分工又合作，能夠充分發(fā)揮ARM的控制功能以及DSP Core的數(shù)字運算處理功能,。
    與此同時,，由于ARM在整個設計當中主要起到一些輔助的控制作用，ARM922T的一些擴展DSP運算功能沒有用到,，如果綜合考慮到成本和性價比等因素,，可以考慮采用ARM7硬核、NIOS 或其他形式的軟核替代,。
參考文獻
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 Very Large Scale Integration(VLSI)Systems,，2001,9(2).
[3]  Hardware Reference Manual Version 3.1. www.altera.com. 2002-11.