摘 要： 以硬盤錄像機的設(shè)計為例，介紹了NIOS嵌入式軟核的工作流程、開發(fā)步驟和使用方法。
關(guān)鍵詞： NIOS 嵌入式處理器 硬盤錄像
隨著現(xiàn)場可編程邏輯陣列（FPGA）技術(shù)的日益成熟，基于片上的可編程（System On Programmable Chip，SOPC）的嵌入式處理器受到越來越多的關(guān)注。特別是Altera公司推出的NIOS嵌入式處理器軟核，通過軟件編程的方法可靈活地實現(xiàn)嵌入式處理器的功能，并且針對FPGA進行性能優(yōu)化，可以大大提高系統(tǒng)性能。NIOS還具有片上調(diào)試功能，便于系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試。本文以硬盤錄像機為例，研究了NIOS對外部接口設(shè)備進行控制的方法，其中包括I2C接口的控制、IDE接口的控制等。
1 NIOS開發(fā)方法介紹
NIOS的軟硬件開發(fā)流程如圖1所示，下面介紹其具體開發(fā)步驟。
流程的第一步是設(shè)計規(guī)劃。它需要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，劃分好各個軟硬件模塊。完整的基于NIOS的SOPC系統(tǒng)是一個軟硬件復(fù)合的系統(tǒng)，在開發(fā)時可以分為硬件、軟件兩個部分。在實際設(shè)計過程中，往往會遇到這樣一種情況：所需要的功能既可以用軟件方式實現(xiàn)，也可以用純硬件邏輯加以實現(xiàn)。例如，在系統(tǒng)中需要8位7段碼數(shù)碼管顯示時，可以用FPGA中的可編程邏輯設(shè)計一個動態(tài)掃描邏輯來實現(xiàn)顯示，也可以通過編寫動態(tài)掃描程序?qū)IO進行操作來完成上述功能。若用硬件方式實現(xiàn)，顯然是要占用額外的硬件資源，但是，編寫軟件較為容易，系統(tǒng)工作速度不受影響；反之，用軟件方式實現(xiàn)，可以不增加硬件邏輯，但是動態(tài)掃描需要占用CPU的處理時間，這增加了軟件編寫的復(fù)雜度。具體采用什么方式是與系統(tǒng)設(shè)計要求有關(guān)的。因此在設(shè)計規(guī)劃時，就要確定哪些功能用硬件實現(xiàn)，哪些功能用軟件實現(xiàn)。
通常用軟件實現(xiàn)時，其設(shè)計容易修改，查錯也比較容易，且基本上不增加占用的硬件資源。所以，在設(shè)計規(guī)劃時，當需要的軟硬件代價相當并且性能保證的情況下，軟件實現(xiàn)是被優(yōu)先考慮的。
確定好軟硬件模塊的劃分后，就可以開始具體的設(shè)計過程了。通常，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中CPU是不可更改的，因此外圍設(shè)備的變動也受到CPU的限制，甚至整個嵌入式系統(tǒng)的硬件已經(jīng)固定，難以更改(如PC104的開發(fā))。因而，通常的嵌入式開發(fā)中，更多的是PCB設(shè)計及軟件開發(fā)。與通常的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)不同，由于NIOS是一個可靈活定制的CPU，它的外設(shè)是可選的IP核或自定制邏輯，所以可以根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，通過SOPC Builder向?qū)降慕缑娑ㄖ撇眉暨m當?shù)腟OPC系統(tǒng)。鑒于上述NIOS開發(fā)的特點，在設(shè)計規(guī)劃后，NIOS的開發(fā)流程分為硬件開發(fā)與軟件開發(fā)兩大部分。
NIOS的硬件設(shè)計流程就是為了定制合適的CPU和外設(shè)，在SOPC Builder和QuartusII中完成。在這里可以靈活定制NIOS CPU的各個特性甚至指令，可以使用Altera提供的大量的IP Core來加快開發(fā)者開發(fā)NIOS外設(shè)的速度，提高外設(shè)的性能。同時，也可以使用第三方的IP Core，或者使用VHDL、Verilog來自己定制外設(shè)。
完成NIOS的硬件開發(fā)后，SOPC Builder可以幫助開發(fā)者生成相應(yīng)的SDK（軟件開發(fā)包）。這是由于在硬件開發(fā)中的NIOS CPU及其外設(shè)構(gòu)成的系統(tǒng)是自定制的，存儲器、外設(shè)地址的映射等各不相同，需要的SDK也應(yīng)是專有的。SOPC Builder可自動生成SDK。
在生成的SDK基礎(chǔ)上，開發(fā)者可以進入軟件開發(fā)流程。在這個部分，開發(fā)者面對的嵌入式系統(tǒng)是自己定制的、裁剪過的，因此受到硬件的局限會小一些。開發(fā)者可以使用匯編語言、C或C++語言來進行嵌入式程序設(shè)計，使用GNU工具或其他第三方工具進行程序的編譯連接以及調(diào)試。
2 針對硬盤錄像機的NIOS嵌入式處理器設(shè)計
在硬盤錄像機中涉及到圖像采集、圖像壓縮、圖像存儲三個主要部分，因此在設(shè)計外部接口時需要考慮到這三部分中芯片控制所需要的接口。
(1)圖像采集部分。圖像采集部分使用SAA7113完成視頻信號的采集。該芯片是可編程視頻處理芯片，采用CMOS工藝，通過簡單的I2C總線可以對其實現(xiàn)編程控制。它將不同制式的模擬信號統(tǒng)一成相同的數(shù)字標準，采用ITU-R BT.601格式[2]，采樣時對亮度信號和兩個色差信號分別編碼，對不同制式信號采用單一的取樣頻率，而且和任何模擬系統(tǒng)的彩色副載波頻率無關(guān)，因此在分量系統(tǒng)中不再包含任何副載波。取樣頻率定為13.5MHz，它也是對亮度信號Y的取樣頻率。由于色度信號的帶寬遠比亮度信號的帶寬窄，因而對色度信號U和V的取樣率較Y減半，為6.75MHz。每個數(shù)字有效行分別有720個亮度取樣點和360*2個色差信號取樣點。對每個分量的取樣點進行均勻量化。對每個取樣進行8位的PCM編碼。
(2)圖像壓縮部分。本系統(tǒng)采用硬件壓縮方式完成視頻圖像的JPEG壓縮。通常在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中使用Motion－JPEG(MJPEG)技術(shù)，MJPEG壓縮芯片將A/D轉(zhuǎn)換芯片輸入的YUV格式的數(shù)據(jù)進行MJPEG格式的壓縮。MJPEG由JPEG圖像連接組成，相對JPEG圖像，每幅都有自己的量化表和Huffman碼表。MJPEG可以僅使用一張量化表和Huffman碼表對連續(xù)幾十幀甚至上百幀圖像進行壓縮，僅當數(shù)據(jù)發(fā)生丟失時才需要重新載入量化表和Huffman碼表。這一優(yōu)點大大降低了系統(tǒng)視頻解碼時所需要的開銷。而且，MJPEG可以分幀存儲，這給數(shù)據(jù)的管理和回放帶來了方便。本系統(tǒng)是使用ZORAN公司的單片MJPEG壓縮/解壓縮芯片ZR36060來完成圖像的JPEG壓縮的。
(3)圖像存儲部分。為了解決大量的圖像數(shù)據(jù)問題，本系統(tǒng)采用IDE(Integrated Drive Electronics，電子集成驅(qū)動器)接口的硬盤來完成設(shè)計。IDE的本意是指把“硬盤控制器”與“盤體”集成在一起的硬盤驅(qū)動器。這種集成方法減少了硬盤接口的電纜數(shù)目與長度，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘玫搅嗽鰪姡脖P控制起來變得更容易。控制方式有PIO方式和DMA方式兩種。本系統(tǒng)使用了IDE硬盤的PIO控制方式。
由于采用了NIOS處理器，因此可以不局限于預(yù)先制造的處理器技術(shù)，而是根據(jù)自己的標準定制處理器，按照需要選擇合適的外設(shè)、存儲器和接口。本系統(tǒng)根據(jù)硬盤錄像機的具體要求選擇了Altera公司的Cyclone系列的EP1C6來完成CPU的設(shè)計；使用Flash Rom AM29LV065DU進行程序的加載工作；選用SRAM為CY7C1041CV33的存儲器進行數(shù)據(jù)的緩存；FPGA的AS配置芯片為EPCS4。
在外圍芯片中，視頻解碼芯片SAA7113需要I2C接口進行控制，存儲圖像的硬盤需要IDE接口，但是在NIOS的外圍標準接口中沒有這些接口可供選擇，這時只要設(shè)置GPIO(General-Purpose I/O)接口，并用GPIO接口模擬出I2C總線接口和IDE接口的操作即可。同時也用GPIO接口完成MJPEG壓縮芯片的配置任務(wù)。
綜合以上的硬件資源要求，本系統(tǒng)在FPGA內(nèi)部設(shè)計的模塊如圖2所示。
FPGA內(nèi)部模塊的核心模塊是NIOS處理器的核，其次是用來控制系統(tǒng)時鐘的定時器1和定時器2。為了完成對SAA7113和ZR36060的初始化配置工作，設(shè)置了片內(nèi)Rom來存儲配置文件信息，同時還設(shè)置了存儲器接口和通用I/O接口完成和外部存儲器與I/O設(shè)備的連接。整個嵌入式系統(tǒng)內(nèi)部是由Avalon總線完成各模塊之間連接的。
整個系統(tǒng)的調(diào)試工作通過JTAG接口和串行口完成。調(diào)試程序通過JTAG接口下載到FPGA的內(nèi)部，由串口來連接一個顯示終端，將調(diào)試信息顯示到PC機上。
3 控制軟件的設(shè)計
系統(tǒng)上電硬件復(fù)位后，軟件根據(jù)用戶需要自動對各項控制器指令代碼及其參數(shù)進行設(shè)置，從而完成對SAA7113、ZR36060、IDE接口的初始化工作，然后控制視頻信號的采集壓縮和存儲。系統(tǒng)工作流程如圖3所示。
4 整體工作性能
(1)錄制畫面大小：352*248或352*288。(2)每秒錄制或播放25幀，每幀兩場，共50場，隔行掃描。(3)每場圖片壓縮后大小平均為10KB，每秒0.5MB，每小時1.8GB。可根據(jù)需要配接10GB到80GB的硬盤，實現(xiàn)5～40小時的連續(xù)錄像。
5 結(jié)束語
NIOS是一個性價比較高的微處理器軟核，可以方便地把用戶需要的接口和自定義的邏輯加入到系統(tǒng)中去。本文介紹的方法體現(xiàn)了SOPC嵌入式系統(tǒng)的靈活性。因此這種方法能夠有效地縮短開發(fā)周期，同時能夠延長產(chǎn)品的生命周期，可以不斷地在原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進行升級設(shè)計。
參考文獻
1 周博，邱衛(wèi)東，陳燕等.挑戰(zhàn)SOC－基于NIOS的SOPC設(shè)計與實踐.北京：清華大學(xué)出版社，2004
2 朱秀昌.圖像通信應(yīng)用系統(tǒng).北京：北京郵電大學(xué)出版社，2003