運用FPGA進行控制平面數(shù)據(jù)平面視頻處理

1、    運用FPGA進行控制平面/數(shù)據(jù)平面視頻處理摘要：實現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計和具體實現(xiàn)，使用外部可編程電路對所設(shè)計濾波器帶寬進行控制，并利用ADS軟件進行電路設(shè)計和仿真驗證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte嵌入式設(shè)計人員面臨的最大挑戰(zhàn)之一就是界定系統(tǒng)的性能需求。用以確定實際性能需

2、求所需的信息要么無法獲取，要么難以獲得。最精確的估算有時也會因無法預(yù)料的計算負荷而失效。分析通常會指出，對于數(shù)據(jù)處理需求而言嵌入式處理系統(tǒng)的成本效益太低。因此，系統(tǒng)設(shè)計人員高度渴望擁有可擴展的能夠適應(yīng)性能需求潛在變化以及能夠執(zhí)行高性能數(shù)據(jù)處理的架構(gòu)。而在FPGA內(nèi)部實施的控制平面/數(shù)據(jù)平面處理架構(gòu)就能夠有效滿足上述要求。什么是控制平面/數(shù)據(jù)平面處理？為什么您的下一代嵌入式系統(tǒng)可能會需要它？在無法用軟件完成所有處理工作的系統(tǒng)中，設(shè)計人員可以通過多種途徑來獲得其他性能。他們可以采用對稱或者非對稱處理配置的多處理器；使用硬件協(xié)處理器；或者將數(shù)據(jù)處理任務(wù)拆分給一個或多個專用處理單元就像在控制平面/數(shù)據(jù)

3、平面內(nèi)進行處理一樣。在這種編程方式下，數(shù)據(jù)處理被分成兩個不同的平面。控制平面代表著對性能影響不大的算法元素，比如管理性任務(wù)、用戶界面和操作系統(tǒng)功能。同時，數(shù)據(jù)平面代表著數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的流動，例如視頻流或音頻流及其處理。在數(shù)據(jù)平面上，設(shè)計人員采用諸如流水線這樣的技術(shù)來增強數(shù)據(jù)吞吐能力?？刂破矫?數(shù)據(jù)平面處理的典型應(yīng)用包括流視頻、網(wǎng)絡(luò)包處理以及高速信號處理。讓我們來近距離觀察一個涉及流數(shù)據(jù)實時處理的控制平面/數(shù)據(jù)平面應(yīng)用。我們將面臨高清視頻流特有模式的識別。該實要求混合使用高性能數(shù)據(jù)處理和包含嵌入式微處理器的控制功能的多種應(yīng)用的典型代表。720p/60Hz的HD視頻流的像素頻率為74.25MHz。這

4、就要求222.75MB每秒的處理速率。假定采用2.5GHz的雙核雙指令處理器來處理該數(shù)據(jù)，最佳的指令率為10G指令每秒。這樣的處理器可針對所處理數(shù)據(jù)的每一字節(jié)執(zhí)行22.4條指令。對某些應(yīng)用而言這已經(jīng)足夠了，但22.4條指令表明所能處理的數(shù)據(jù)非常有限。復(fù)雜的視頻處理功能，比如內(nèi)核卷積（kernelconvolution）、噪音消減和其他過濾功能需要更高的指令執(zhí)行效率。本文的解決方案準備在數(shù)據(jù)平面上創(chuàng)建并行或流水線處理單元。HD視頻處理是一種可以把問題劃分為控制平面和數(shù)據(jù)平面予以高效處理的常見的現(xiàn)實應(yīng)用。作為一種高度并行處理單元，F(xiàn)PGA在本例中負責(zé)視頻處理，同時由FPGA內(nèi)部的中等性能處理器負責(zé)

5、視頻處理流水線。該處理器可專用于單個應(yīng)用，也可以運行諸如Linux這樣的操作系統(tǒng)。最終形成的硬軟件混合實施方案可以把處理交付給能夠進行最佳處理的部分，實現(xiàn)低成本、高性能數(shù)據(jù)處理解決方案。圖1顯示的是典型的控制平面/數(shù)據(jù)平面系統(tǒng)。圖1：典型的控制平面/數(shù)據(jù)平面處理系統(tǒng)。采用FPGA實現(xiàn)計算負載均衡除了不菲的ASIC，F(xiàn)PGA是性能最高、最具經(jīng)濟效益的流數(shù)據(jù)處理單元實施方法。FPGA因其靈活的架構(gòu)而能讓設(shè)計人員實施包含并行和流水線單元的處理系統(tǒng)。這樣設(shè)計人員即可優(yōu)化系統(tǒng)的性能和時延。設(shè)計人員隨后可以將該數(shù)據(jù)平面解決方案應(yīng)用于外部的分立微處理器以進行控制。在FPGA內(nèi)部加入該處理器能夠帶來多項優(yōu)勢。

6、內(nèi)部處理器能夠大大減少處理器和數(shù)據(jù)平面單元之間的控制時延。時延的減少可以釋放出許多處理器周期。外部處理器必須與數(shù)據(jù)平面保持通信。通信通道可以是32位或者更多位數(shù)，并同時需要更多導(dǎo)線用于尋址和控制。增加的導(dǎo)線可能會要求更強大的處理器和FPGA封裝，從而導(dǎo)致系統(tǒng)成本增加。而采用PCIExpress（PCIe）能大幅度減少引腳數(shù)量。遺憾的是，不是所有的處理器和FPGA都支持這種相對新型的接口，而且即便支持，PCIe器件的成本也大大高于不采用PCIe的同類器件。在FPGA內(nèi)部實施控制平面處理器和數(shù)據(jù)平面可以減少器件數(shù)量、板級空間和功耗，最終形成一個低成本的解決方案。在FPGA內(nèi)既有諸如PowerPC等

7、硬核處理器，也有賽靈思MicroBlaze等軟核處理器，可以根據(jù)應(yīng)用要求配置基于FPGA的處理器。基于FPGA的系統(tǒng)能夠在處理器和FPGA邏輯之間移植決策和計算功能，從而實現(xiàn)系統(tǒng)級的優(yōu)化。嵌入式設(shè)計人員面臨的最大挑戰(zhàn)之一就是界定系統(tǒng)的性能需求。用以確定實際性能需求所需的信息要么無法獲取，要么難以獲得。最精確的估算有時也會因無法預(yù)料的計算負荷而失效。分析通常會指出，對于數(shù)據(jù)處理需求而言嵌入式處理系統(tǒng)的成本效益太低。因此，系統(tǒng)設(shè)計人員高度渴望擁有可擴展的能夠適應(yīng)性能需求潛在變化以及能夠執(zhí)行高性能數(shù)據(jù)處理的架構(gòu)。而在FPGA內(nèi)部實施的控制平面/數(shù)據(jù)平面處理架構(gòu)就能夠有效滿足上述要求。什么是控制平面/

8、數(shù)據(jù)平面處理？為什么您的下一代嵌入式系統(tǒng)可能會需要它？在無法用軟件完成所有處理工作的系統(tǒng)中，設(shè)計人員可以通過多種途徑來獲得其他性能。他們可以采用對稱或者非對稱處理配置的多處理器；使用硬件協(xié)處理器；或者將數(shù)據(jù)處理任務(wù)拆分給一個或多個專用處理單元就像在控制平面/數(shù)據(jù)平面內(nèi)進行處理一樣。在這種編程方式下，數(shù)據(jù)處理被分成兩個不同的平面。控制平面代表著對性能影響不大的算法元素，比如管理性任務(wù)、用戶界面和操作系統(tǒng)功能。同時，數(shù)據(jù)平面代表著數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的流動，例如視頻流或音頻流及其處理。在數(shù)據(jù)平面上，設(shè)計人員采用諸如流水線這樣的技術(shù)來增強數(shù)據(jù)吞吐能力。控制平面/數(shù)據(jù)平面處理的典型應(yīng)用包括流視頻、網(wǎng)絡(luò)包處理以及高速信號處理。熱門詞條貼片CBB電容-6.3V22uFTCSC