摘 要： 為了解決單核處理器系統的總線互連所帶來的互連延遲、存儲帶寬和功耗極限等性能提升的瓶頸問題，設計了基于NoC系統的實時圖像采集和處理系統。該系統采用FPGA實現圖像采集模塊、存儲、JPEG編解碼、資源節點、路由節點及VGA顯示等功能。實驗結果表明，在NoC系統上使用多核技術代替傳統的單處理器，在提高系統并行性方面顯示出了NoC的巨大優勢。
關鍵詞： 片上網絡；資源節點；通信
NoC（Network on Chip）的核心思想[1]是將計算機網絡技術移植到集成電路設計中，從體系結構上徹底解決片上通信的瓶頸問題及時鐘問題。它充分借鑒了分布式計算機系統的通信方式，用路由和分組交換技術替代傳統的總線通信方式。結構化的網絡連線[1]可以更好地控制連線的電氣參數，提供更高的帶寬，支持多重的并行通信等。此外，NoC還具備數據處理量大、多任務并行計算、架構易擴展及靈活性強等特點。
本設計是在NoC系統上實現實時圖像采集、壓縮、解壓縮、存儲和VGA顯示等功能，利用FPGA的內部資源設計靈活的邏輯控制，完成高速大容量數據采集的存儲和傳輸。本文提出的設計方案可以在選用成本低、操作簡單的靜態RAM的情況下， 實現實時大容量數據存儲需求。在EDA（Electronic Design Automation）軟件中進行了仿真驗證，并在DE2開發板上實現高速實時圖像采集和處理。
1 系統總體方案設計
NoC系統借鑒并移植計算機網絡通信中的概念和方法[1]，用于多個核或IP（Intellectual Property core）的集成。圖1是NoC的示意圖。
NoC系統由交換節點（Switch）、資源節點（Resource）和資源網絡接口（Resource-Network Interface）3個基本部分組成[1]。交換節點負責資源節點之間的信息交換，資源節點可以是處理器、存儲器、可編程邏輯器件、輸入輸出設備等。交換節點通過互連線按照拓撲結構組成網絡的物理架構，資源節點則通過RNI與交換節點相連。狹義的NoC指的就是僅由交換節點構成的網絡。
本設計在NoC網絡上實現實時圖像采集系統，在FPGA上利用2個NIOS Ⅱ核實現NoC系統上的2個資源節點，實現圖像采集的基本功能。其中，1個NIOS Ⅱ實現采集壓縮功能，1個NIOS Ⅱ核實現解壓顯示功能。系統由攝像頭、NIOS Ⅱ 1、資源節點1、路由節點1、路由節點2、資源節點2、NIOS Ⅱ 2、SDRAM乒乓存儲器和VGA顯示等模塊組成。系統的工作流程如圖2所示。
圖像采集系統工作流程是：先對OV9650的寄存器進行配置，然后從攝像頭模塊中接收YUV422格式的數據，由NIOS Ⅱ 1對接收的數據進行JPEG壓縮，壓縮的數據發送到資源節點1，再發送到路由節點1上，由路由器把數據發送到目的路由節點2上，再經資源節2發送到NIOS Ⅱ 2中，由NIOS Ⅱ 2進行JPEG解壓縮，進行VGA顯示，VGA顯示的緩存采用SDRAM乒乓緩存。
2 圖像采集系統的模塊設計
2.1 攝像頭控制模塊
攝像頭控制模塊的功能是采集圖像數據。OV9650攝像頭包括CMOS攝像頭和圖像處理芯片OV9650。用Verilog HDL硬件描述語言編寫SCCB總線控制器，OV9650是通過SCCB總線（SCCB總線的示意圖如圖3所示，SCL是時鐘信號線，SDA是數據線）對其寄存器進行配置的。時鐘頻率設置為24 MHz，按照其時序完成對OV9650攝像頭的初始化配置工作。配置OV9650攝像頭的工作模式為VGA 640×480視頻格式，以YUV4：2：2數據流輸出，視頻速率為15 f/s。采集到的YUV4：2：2格式的數據送到JPEG編碼器中進行編碼，把編碼的數據進行打包，發送到緩沖器中，等待路由節點的信號，通過路由器發送到目的資源節點。
2.2 NIOS Ⅱ 1模塊
NIOS Ⅱ 1模塊由SoPC構建硬件框架[2]，再在NIOS Ⅱ IDE中進行軟件程序編寫。NIOS Ⅱ 1的功能是接收攝像頭的數據，對圖像數據進行JPEG壓縮。
JPEG編碼算法可以用失真的壓縮方式來處理圖像，但失真的程度卻是肉眼所無法辯認的，這也就是為什么JPEG會有如此滿意的壓縮比例的原因。它的壓縮一般過程是：首先使用正向離散余弦變換FDCT（Forward Discrete Cosine Transform）把空間域表示的圖像變換成頻率域表示的圖像，然后使用加權函數（此加權函數對于人的視覺系統是最佳的）對DCT系數進行量化，最后對量化系數進行編碼。JPEG編碼器流程圖如圖4所示。
2.3 通信節點發送模塊
通信節點發送模塊有兩個作用，一是把4個8 bit數組成32 bit數輸出，二是對要發送的數據進行組包。組包協議是：第一包僅包含要發送的包數、發送包的類型、數據發送的資源節點的地址和要接收數據的資源節點的地址、校驗位；后面的包包含此包的包號、包的長度、要發送的數據、校驗位。資源節點1的模塊圖如圖5所示。
clk_100M是輸入時鐘，clk_50M是輸出時鐘，reset是復位信號線，b[11..0]是應用系統發送的數據信號，port_av1是路由節點的請求信號線，ou是應用的請求信號線，data_to_sin1[31..0]是輸出信號線，flit_head是頭flit信號線，wren寫信號線，readen是讀信號線。該模塊的功能是銜接應用系統與路由節點，使得它們之間可以進行通信。
2.4 路由節點
路由單元包括交換開關以及東、南、西、北、本地5個方向的端口鏈路控制模塊。交換開關負責路由單元內部各端口鏈路之間的數據交換。本地方向模塊與本地的資源節點相連，負責轉發本地資源節點發出以及接收的數據，另外4個方向模塊與其他路由節點連接。由于2D-Mesh拓撲結構具有對稱特性，因此路由單元東、南、西和北這4個方向的端口具有相同的電路結構。每個方向端口由輸入虛通道選擇模塊、輸入虛通道緩存模塊、路由控制模塊、請求仲裁模塊和輸出模塊幾部分組成。
2.5 通信節點接收模塊
通信節點接收模塊是通信節點發送模塊的逆過程，其有兩個作用，一是把一個32 bit數分解成8 bit數輸出，二是對要接收的數據進行解包，解包協議是組包協議的逆過程。資源節點2實現如下：
Module receive（
clkin， //數據輸入時鐘
clkout，//數據輸出時鐘
reset， //復位信號
data_in，//數據輸入
data_out，//數據輸出
wren，//寫使能信號
readen， //讀使能信號
in_int， //路由節點給的信號線
reci_flit_head，//頭flit信號
dataout_flag //數據輸出標志位
）
2.6 NIOS Ⅱ 2模塊
NIOS Ⅱ 2模塊由SoPC構建硬件框架，再在NIOS II IDE中進行軟件程序編寫。用Verilog HDL語言編寫VGA控制器和SDRAM控制器，再編寫一個接入到Avalon總線的接口文件，把VGA控制器和SDRAM外掛在NIOS Ⅱ 2上。該模塊的功能是接收資源節點的數據，再送入JPEG解碼器解碼，解碼后的數據送入SDRAM乒乓存儲器，最后在VGA上顯示。
2.6.1 JPEG解碼器的設計
JPEG解壓縮是JPEG壓縮的逆過程，解碼流程的主要功能模塊包括：頭文件解析、熵解碼（包括直流系數解碼、交流系數解碼和差分解碼）、反量化與反Z變換（掃描）、IDCT變換和顏色空間轉換。在JPEG解碼模塊啟動后，頭碼流解析單元首先讀入JPEG文件的包頭，根據JPEG文件數據的存儲方式依次檢測數據流中包含的各種段的標識符，把要解碼的文件信息從數據流中解析出來并存儲到相應的存儲單元，為后面壓縮數據的解碼作準備。數據流后經熵解碼單元（包括Huffman解碼、變長解碼和行程解碼）進行解碼，解碼后的數據進入反量化與反Z變換模塊，對量化過的像素進行反Z變換，得到8×8的數據塊。圖像數據是編碼時通過正向離散余弦變換得到的結果，解碼時必須將其反向余弦變換，將數值向時域轉換。JPEG解碼器流程圖如圖6所示。
2.6.2 VGA控制模塊的設計
VGA顯示由FPGA根據VGA顯示時序，輸出相應像素的RGB格式的數據、行同步信號和幀同步信號，然后經過D/A芯片轉換后顯示。實際系統采用的顯示分辨率為800×600，幀頻率為75 Hz。VGA控制模塊設計如下：
module VGA_SINK（
clk， //時鐘信號
reset_n，//復位信號
ready_out，
valid_in，
data_in，
sop_in，
eop_in，
empty_in，
vga_clk，
vga_hs，
vga_vs，
vga_de，
vga_r，
vga_g，
vga_b）
其中，ready_out、valid_in、data_in、sop_in、eop_in和empty_in是與Avalon總線連接的信號，vga_clk、vga_hs、vga_vs、vga_de、vga_r、vga_g和vga_b信號是與VGA模塊連接的信號。VGA模塊的工作過程是：數據從SDRAM中讀入，送到VGA顯示，判斷是否已經讀取了一行的數據，即640個RGB信號，如果讀取了一行數據，則復位行信號H；判斷是否已經讀取一幀圖像，如果讀取了一幀，則復位場信號V，至此VGA已經完整顯示了一幀圖像。
2.6.3 SDRAM乒乓存儲器
SDRAM乒乓存儲器的作用是為VGA顯示作緩存，一片SDRAM的數據輸出給VGA時，另一片SDRAM就接收數據，2片SDRAM交叉進行，保證了VGA實時顯示。
3 實驗結果
3.1 系統資源測試
NoC應用系統的功能子模塊設計完成之后，將各個功能子模塊組合、聯調，由Quartus II 11.0自帶的綜合工具生成網表及.pof，通過as接口方式燒寫到epcs4中，系統綜合后的資源消耗圖如圖7所示。
結果表明，該系統能正確可靠地工作。在這個系統中，專用邏輯寄存器占1%，總的邏輯單元占2%，總的內存位占5%，因此還有大量的資源可以用于硬件算法或者其他方面的應用。
3.2 系統指標測試
在整個NoC應用系統的實現中，由于采用FPGA作為主控制器，基本上是由硬件完成了整個系統，將圖像傳感器的幀頻設置為15 f/s（最高為30 f/s），JPEG壓縮比例為3.4%，SDRAM乒乓緩存為VGA實時顯示提供了條件。通過仿真調試，可以實現通過人機交互界面控制圖像采集、傳輸和VGA顯示等功能，并且各部分能同時工作，這也是NoC的優勢所在。圖8是采集的一幀圖像。
本文設計的系統的各個模塊都在Modelsim中進行了仿真，并在DE2-115開發板上調試成功，實現了圖像采集、JPEG編碼解碼、傳輸和VGA顯示等功能。在NoC系統上實現數據采集系統，采用雙核進行處理，通過路由進行數據傳輸，克服了總線互連、存儲帶寬及功耗極限等性能提升的瓶頸問題。
參考文獻
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