一種ARM+DSP協(xié)作架構的FPGA驗證實現

　　2.1 ARM負責準備階段

　　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FPGA X2V6000中的DSP Core進行交互。

　　代碼喚醒外部DMA通過以太網口從PC機端搬運第一幀待處理的圖像數據，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芯片的以太網口與PC機的以太網口進行交互， 如圖3所示。圖3左邊的以太網子板即圖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工程最為關鍵的部件之一，它直接關系到ARM和DSP之間的交互。本項目中，利用Debug Sub-Module實現對DSP Core的復位、啟動、暫停、斷點設置、單步運行、讀寫內部SRAM、讀DSP Core寄存器等一系列功能，大大方便了調試工作，同時也非常便捷地實現了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復位，并把小目標識別的程序代碼寫入DSP內部的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（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檢查一下相應地址上的這個標志數，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完全實現了控制和輔助的作用，而運行部分則完全由DSP負責，各自分工明確。(2)ARM和DSP實現了很好的交互，嚴謹地控制了流程的運行步驟。

　　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果顯示。

　　ARM擦除DSP Core運行完畢的標志數，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，避免寫程序的重復執(zhí)行；如果是，則結束整個程序運行。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方面所起到的主要作用。由ARM的平臺來實現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 體系架構的調試

　　3.1 FPGA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FPGA（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FPGA的利用率都已大于90%。

　　一般來說，FPGA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，因一些數據線、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，這在整個電路設計階段就要預測得比較好，但這不太容易做到，需要經驗的積累。

　　3.2 觀測點的預留

　　開發(fā)板在設計電路圖階段，一定要預留出足夠的觀測點。這一點非常重要。因為：在后來的調試過程中，當出現問題時需要追查線路，而目前的FPGA調試軟件還不成熟，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，從電路的設計之初，預留出足夠的觀測點，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試工作，加快整個研發(fā)進程。

　　3.3 FPGA調試的原則

　　FPGA的調試應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體系結構是由ARM加上兩塊FPGA共同工作，相對比較復雜，相互之間交互性比較多。所以，在調試整個程序之前，可以先通過另外的小程序和硬件結構分別調通ARM對兩片FPGA的交互；然后，再用較為簡單的功能模塊調試好三塊片子的簡單交互功能；最后，把整個大程序應用在上面進行嘗試。這樣一步步下來，出現問題時，就比較容易發(fā)現問題所在，方便調試。

　　例如，可以先不考慮FPGA X2V6000，單獨調試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。