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內嵌ARM核的FPGA芯片EPXA10及其在圖像驅動和處理方面的應用
摘要：介紹了內嵌ARM核的FPGA芯片EPXA10的主功能特點、內部結構及工作方式，通過其在圖像驅動和處理方面的應用，體現了EPX10邏輯控制實現簡單、對大量數據做簡單處理速度快以及軟件編程靈活的特點。隨著亞微米技術的發展，FPGA芯片密度不斷增加，并以強大的并行計算能力和方便靈活的動態可重構性，被廣泛地應用于各個領域。但是在復雜復法的實現上，FPGA卻遠沒有32位RISC處理器靈活方便，所以在設計具有復雜算法和控制邏輯的系統時，往往需要RISC和FPGA結合使用。這樣，電路設計的難度也就相應大大增加。隨著第四代EDA開發工具的使用，特別是在IP核產業的迅猛發展下產生的SOPC技術的發展，使嵌入式RISC的通用及標準的FPGA器件呼之欲出。單片集成的RISC處理器和FPGA大大減小了硬件電路復雜性和體積，同時也降低了功耗、提高了系統可靠性。Altera公司的EPXA10芯片就是應用SOPC技術，集高密度邏輯（FPGA）、存儲器（SRAM）及嵌入式處理器（ARM）于單片可編程邏輯器件上，實現了速度與編程能力的完美結合。本文所介紹的圖像驅動和處理系統正應用了EPX10的這些特點，充分發揮了FPGA邏輯控制實現簡單、對大量數據做簡單處理速度快的優勢以及ARM軟件編程靈活的特點。
1 內嵌ARM核的FPGA芯片EPXA10及其主要特點
EPX10單片集成了ARM核、高密度的FPGA、存儲器及接和控制模塊，不僅簡化了ARM與FPGA之間的通訊，也使片外擴展存儲器以及和外設通訊變得相對簡單；同時通過在FPGA中嵌入各種IP核和用戶控制邏輯可以實現各種接口和控制任務。這樣的高度集成化不僅大大加快了ARM與片內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，真正實現了SOPC。
EPX10內部結構框圖如圖1所示，主要分為嵌入式處理器和FPGA兩部分。
1.1 嵌入式微處理器ARM922T
EPX10嵌入式處理器部分集成了業界領先的32位ARM處理器（ARM922T），工作頻率可達200MHz；支持32位ARMv4T指令集和16位Thumb擴展指令集；具有全性能的內存管理單元以及8K的指令緩存和8K數據緩存，以支持實時操作系統（RTOS）、C語言和匯編語言。
1.2 高密度的FPGA
EPXA10片內FPGA部分具有1000000門可編程邏輯、3MB的內置RAM和512個可供用戶使用的I/O管腳，可以通過嵌入各種IP核實現各種標準工業接口（如PCI、USB等）。
1.3 先進的存儲支持
EPXA10嵌入式處理器部分集成了256KB單口SRAM和128KB雙口SRAM；同時集成了兩個先進的存儲支持：（1）SDRAM控制器，用于控制單倍速/雙倍速不同控制進序來確定的，實現起來非常復雜。有了SDRAM控制器的支持，只需要在Altera公司提供的EDA開發軟件Quartus II中設置好SDRAM工作所需的各種參數，就可以按照直接給出指令、地址和數據的方式對SDRAM進行操作，控制器會自動將各種指令轉化成SDRAM所需的工作時序，大大降低了對SDRAM的控制難度。（2）從FPGA啟動。這種啟動方式需要將設計下載到片外E2PROM中，而且設計中可包含FPGA部分的應用。啟動時FPGA為主動，ARM處復位狀態，配置完成后，如果有對ARM的應用，則ARM解除復位，執行軟件代碼；反之，ARM一直處于復位狀態。
圖3
2 EPXA10的工作方式
EPXA10嵌入式處理器部分提供了兩條32位AMBA微控制器總線AHB1、AHB2，分別用于片內各種資源的通訊，如圖1所示�；贏HB1、AHB2總線，EPXA10的工作方式大致可分為三種：（1）ARM作為AHB1總線的主控，直接訪問HAB1總線的從屬資源。包括SDRAM控制器、片上SRAM、中斷控制器等。（2）ARM作為AHB1總線的主控，通過AHB1-2橋訪問AHB2總線上的從屬資源，包括UART、EBI、SRAM、Stripe-To-PLD橋等，同時通過Stripe-To-PLD橋對FPGA進行訪問和控制。（3）FPGA通過AHB2的總線主控PLD-To-Stripe橋訪問AHB2總線上的從屬資源，包括SRAM、SDRAM控制器，UART等。
EPXA10片內集成了軟件可編程鎖相環路（PLL），為微控制器總線及SDRAM控制器提供了靈活精確的時鐘基準。
3 EPXA10在圖像驅動和處理方面的應用
本文所述的圖像驅動和處理系統主要利用PPGA邏輯控制實現簡單、對大量數據做簡單處理速度快以及ARM軟件編程靈活的特點，系統框圖如圖2所示。在芯片FPGA部分，構造了CMOS驅動模塊，驅動CMOS圖像傳感器使之能夠采集圖像數據。然后圖像數據經數據接收模塊存入片外SDRAM中，并經串口傳入PC機，要將圖像數據在PC機中顯示成圖像，還需編寫基于CDib類的圖像顯示程序；同時將圖像數據經芯片ARM部分的圖像處理算法（本系統采用Sobel算子）處理，處理后的圖像數據才能經串口傳給PC機進行顯示。為了驗證基于ARM的圖像處理算法實現的正確性，還將這一算法在PC機中進行了實現，最后針對同一幅圖像，將兩種實現的結果進行了比較。
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