FPGA在图像处理中的应用

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FPGA在图像处理中的应用

1 引言

当前,图象处理技术被广泛应用于各个领域。实用的图象处理系统都要求高速处理,目前广泛使用软件进行处理,并采用并行计算机以提高处理速度,但是使用并行计算机系统,存在着成本高、系统规模大等问题[1]。为了更简单地进行图象处理,达到图象处理系统实用化的目的,本文提出采用ＦＰＧＡ使图象处理技术硬件化的一种设计方法。由于ＦＰＧＡ含有丰富的逻辑单元,很容易实现各种电路设计和完成较复杂的运算,对于不同的图象处理要求,设计者只需用软件修改ＦＰＧＡ内部的逻辑功能即可。同时,ＦＰＧＡ的高度集成化,使图象板更简化、布局更紧凑。

2 FPGA的介绍

2．1 FPGA的结构

FPGA通常包含三类可编程资源：可编程逻辑功能块、可编程I/O块和可编程内部互连。可编程逻辑功能块是实现用户功能的基本单元，它们通常排列成一个阵列，散布于整个芯片；可编程I/O块完成芯片上逻辑与外部封装脚的接口，常围绕着阵列排列于芯片四周；可编程内部互连包括各种长度的连线线段和一些可编程连接开关，它们将各个可编程逻辑块或I/O块连接起来，构成特定功能电路。FPGA一般用于逻辑仿真。电路设计工程师设计一个电路首先要确定线路，然后进行软件模拟及优化，以确认所设计电路的功能及性能。然后随着电路规模不断的扩大，工作频率的不断提高，将会给电路引入许多分布参数的影响，而这些影响用软件模拟的方法较难反映出来，所以有必要进行硬件电路仿真。FPGA就可以实现硬件仿真以作成模拟机。将软件模拟后经一定处理后下载到FPGA，就可以容易的得到一个模型机，设计者就能很直观地测试其逻辑功能及性能指标。不同厂家生产的FPGA在可编程逻辑块的规模，内部互连的结构和采用的可编程元件上存在较大的差异。较常用的有Altera、Xilinx和Actel公司的FPGA。

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Xilinx Foundation Sreials ISE 3.1i是Xilinx公司集成开发的FPGA开发工具。Xilinx Foundation Sreials ISE 支持的FPGA芯片有：XC3000A/L 、XC3100A/L、XC4000E/L/EX/XL/XLA、XC5200、XC9500、XC9500XL、SPARTAN、APARTANXL、BIRTEX。Foundation Sreials ISE采用自动化的，完整的集成设计环境。Foundation Sreials ISE项目管理器（Foundation Project Manager）集成了Xilinx实现工具。此外，Foundation Sreials ISE集成了Synopsys公司的FPGA Express的Foundation Sreials ISE，可以提供混合语言（VHDL和Verilog HDL）的综合和优化，它的JTAG编程器支持CPLD和FPGA的下载和配置。

尽管FPGA/CPLD和其它类型PLD的结构各有其特点和长处，但它们都是由三大部分组成的：

（1） 一个二维的逻辑块阵列，构成了PLD器件的逻辑组成核心；

（2） 输入/输出块；

（3） 连接逻辑块的互连资源。

连线资源由各种长度的连线线段组成，其中也有一些可编程的连接开关，它们用于逻辑块之间、逻辑块与输入/输出块之间的连接。

图为一个典型的PLD框图。

I/O Control Block

典型的PLD框图

可以看出，图中标有LAB的小块为逻辑单元，中间的井字形为互连资源，周围的几条为输入/输出块。

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2．2特点分析

正如可编程数字信号处理器（programmable digital processor,PDSP）在近20年前出现时的情形一样。如今，现场可编程门阵列（field-programmable gate array,FPGA）正处于革命性的数字信号处理技术的前沿。过去，前端的可编程数字处理（digital processing,DSP）算法，例如FFT、FIR和IIR滤波器，都是利用ASIC或者PDSP构建的，但现在大多为FPGA所代替。现代的FPGA系列都提供了支持以低系统开销、低成本实现高速乘-累加

（Multiply-accumulate,MAC）超前进位链（Xilinx XC4000,Altera FLEX）的DSP算法。以前的FPGA系列大多面向TTL“胶合逻辑”，没有DSP函数需要的大量的门数量。

在21世纪初，我们就看到，两个可编程逻辑器件（programmable logic device,PLD）市场的领导者（Altera和Xilinx）都宣称获得了超过10亿美元的收入。在过去的10年中，FPGA一直保持以20%以上的速度稳步增长，超过ASIC和PDSP 10%以上。这源于FPGA具有许多与ASIC相同的特点，比如在规模、重量和功耗都降低了，同时还具有更高的吞吐量、更好的防止非授权复制的安全性、降低了元器件的成本，并且还降低了电路板测试成本。此外，还声称具有优于ASIC的优势，例如：开发时间的缩短（快速的原型设计）、在线路中可重复编程的性质、更低的NRE成本，对于需求少于1000个单元的解决方案而言，还可以产生更为经济的设计。与PDSP相比，典型FPGA设计采用的都是并行操作。例如：实现多重乘-累加调用效率、消除零乘积项以及流水线操作。也就是每个LE都有一个存储器，这样流水线操作就不再需要额外的资源了。

FPGA器件具有较小的基本逻辑单元,通常较适合实现流水线结构设计,也可以利用逻辑单元的级连来实现较长的数据通路.FPGA的逻辑单元可以将设计功能进行更细的划分,因而能够充分利用单元内的各种资源。

3 FPGA的优化设计—流水线设计

面向速度和面向面积的优化，在大多数情况下这两种是矛盾的，也就是说，

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对速度进行优化设计，需要较多资源。对面积进行优化往往会导致降低系统速度 …… 此处隐藏：1737字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……