一款基于DSP內(nèi)核處理器的FPGA驗證實現(xiàn)設(shè)計

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(chǔ)上，對其功能進行驗證的一個小目標識別算法的實現(xiàn)。考慮到軟件環(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(shè)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(fù)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(yīng)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(shè)計采用的兩片F(xiàn)PGA分別為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(yīng)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(shè)計特點

具體來講，整個體系結(jié)構(gòu)是指通過人為設(shè)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(yīng)相應(yīng)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(yīng)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(yù)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(yīng)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(zé)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(fù)位、啟動、暫停、斷點設(shè)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(fù)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(yīng)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(zé)，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(fù)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

3.1FPGA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(shè)計階段就要預(yù)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(yù)留

開發(fā)板在設(shè)計電路圖階段，一定要預(yù)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(fù)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(shè)計之初，預(yù)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。

3.3FPGA調(diào)試的原則

FPGA的調(diào)試應(yīng)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(fù)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(yīng)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。可以說，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(fù)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(fù)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，其真實性又是非常可靠的。所以驗證波形完全調(diào)試通過之后，可以非常有效地指導(dǎo)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(dǎo)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。

3.5Demo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(shè)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(shè)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(shè)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(yīng)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(shè)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。