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單個(gè)視頻和圖像DSP處理器已經(jīng)不能以可接受的數(shù)據(jù)速率完成某些計(jì)算密集的分析運(yùn)算了，比如交通監(jiān)控應(yīng)用中視頻分析輸出。此外，也沒有強(qiáng)大可靠的解決方案能夠在全視頻幀速率下處理高清晰(HD)視頻數(shù)據(jù)。這也迫使系統(tǒng)工程師采用多芯片或其它單芯片系統(tǒng)。基于賽靈思的Spartan-3A DSP 3400A的方案正是滿足此要求的產(chǎn)品。范圍廣泛的安全分析應(yīng)用對處理帶寬的要求迫使企業(yè)重新考慮系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)方法。單個(gè)視頻和圖像DSP處理器已經(jīng)不能以可接受的數(shù)據(jù)速率完成某些計(jì)算密集的分析運(yùn)算了。此外，也沒有強(qiáng)大可靠的解決方案能夠在全視頻幀速率下處理高清晰(HD)視頻數(shù)據(jù)。這也迫使系統(tǒng)工程師采用多芯片或其它單芯片系統(tǒng)，不過，這兩種解決方案各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。 由多片DSP組成的多芯片系統(tǒng)一般可為設(shè)計(jì)人員提供更為熟悉的設(shè)計(jì)流程，但增加了PCB成本、占用板級/系統(tǒng)級空間，同時(shí)還可能帶來系統(tǒng)性能問題。另一方面，單芯片解決方案看起來在成本、封裝和功耗方面具有優(yōu)勢，但可能增加設(shè)計(jì)人員的學(xué)習(xí)難度，提高設(shè)計(jì)項(xiàng)目的復(fù)雜性和工程成本，且有可能拖延產(chǎn)品發(fā)布的時(shí)間。這也是視頻分析公司Eutecus在開發(fā)下一代安全分析產(chǎn)品——多核視頻分析引擎(MVE)時(shí)遇到的難題。 Eutecus的第一代安全分析產(chǎn)品基于德州儀器(TI)的達(dá)芬奇(DaVinci)數(shù)字媒體片上系統(tǒng)(SoC)平臺。但第二代產(chǎn)品中需要更強(qiáng)大的處理能力和系統(tǒng)集成度，而多個(gè)DSP器件的解決方案無論在成本上還是在系統(tǒng)級效益上都沒有優(yōu)勢。這個(gè)方案需要能方便地將上一代產(chǎn)品移植過來，并且能為第二代MVE提供更多特性的單芯片解決方案。 賽靈思的Spartan-3A DSP 3400A正是滿足此要求的產(chǎn)品。該器件提供了126個(gè)專用XtremeDSP DSP48A邏輯片，可以提供足夠的性能來滿足我們的系統(tǒng)要求，并且價(jià)格也很有吸引力。 當(dāng)進(jìn)一步了解到賽靈思嵌入式開發(fā)套件(EDK)支持Spartan-3ADSP之后，我們對設(shè)計(jì)移植方面的擔(dān)心也很快消失了。賽靈思公司的EDK嵌入式開發(fā)套件可以實(shí)現(xiàn)基于賽靈思MicroBlaze嵌入式處理器的雙處理器硬件架構(gòu)，與TI公司DaVinci平臺雙處理器硬件架構(gòu)類似。 選定器件之后，開始將現(xiàn)有的基于DaVinci的代碼移植到賽靈思雙處理器嵌入式系統(tǒng)，以創(chuàng)造一個(gè)單芯片視頻安全分析設(shè)計(jì)。然后，在FPGA構(gòu)造中創(chuàng)建了適量的加速器模塊來滿足性能要求，其中包括在全幀速率下處理高清晰視頻。這就是第二代MVE系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)成功地銷售到航空航天/國防、機(jī)器視覺和監(jiān)控市場。 視頻分析產(chǎn)品簡介 多核視頻分析引擎(MVE)基于InstantVision Embedded軟件和能夠提供許多高級功能的專用C-MVA協(xié)處理器。 MVE/C-MVA最新版本能夠以全幀速率處理高清晰視頻。其功耗還不到1瓦，能夠以全并行方式執(zhí)行多種事件檢測和分類算法。圖1給出的是一個(gè)交通監(jiān)控應(yīng)用中視頻分析輸出的例子，針對不同類型的車輛、車流方向、車道變化以及違規(guī)變道等情況進(jìn)行了分類，所有這些都是并發(fā)進(jìn)行的并且利用不同的顏色進(jìn)行了標(biāo)記。 圖1：多內(nèi)核視頻分析引擎(MVE)及示例應(yīng)用的發(fā)展路線圖。 Spartan-3ADSP 3400A FPGA中的126個(gè)XtremeDSP DSP48A邏輯片能夠提供高達(dá)30GMAC的DSP性能，因此完全能夠滿足視頻分析應(yīng)用苛刻的成本和性能要求。賽靈思FPGA還允許我們根據(jù)客戶需求增加更多視頻分析功能以及相關(guān)的事件檢測事例。我們在表1中做了小結(jié)。 表1： 典型事件檢測應(yīng)用中支持的視頻分析功能。 FPGA解決方案另一個(gè)好處是可以利用同一硬件平臺創(chuàng)建多種不同的衍生產(chǎn)品。由于我們已經(jīng)使用VHDL設(shè)計(jì)了多種分析加速器引擎，因此可以將這些專用內(nèi)核集成到C-MVA協(xié)處理器中。這種方法允許工程師重新利用雙MicroBlaze嵌入式系統(tǒng)來創(chuàng)建不同的FPGA編程文件，這樣就構(gòu)成了高度可擴(kuò)展的解決方案，可以輕松調(diào)節(jié)適應(yīng)范圍廣泛的視頻分析應(yīng)用。 從DaVinci移植到賽靈思FPGA 我們先前一代的視頻分析產(chǎn)品基于TI DaVinci數(shù)字媒體SoC芯片TMS320DM6?46。該芯片包括ARM9x處理器和C6?x+DSP協(xié)處理器。在設(shè)計(jì)中，我們使用ARM9x做通信和控制，用C6?x+做分析算法的DSP處理。然而，兩者組合起來構(gòu)成的系統(tǒng)仍然無法滿足我們第二代產(chǎn)品所需要的高性能處理要求。因此，我們轉(zhuǎn)向了Spartan-3A DSP FPGA系列。 通過創(chuàng)建擁有兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)行MicroBlazev7軟內(nèi)核處理器的賽靈思嵌入式系統(tǒng)，我們簡化了設(shè)計(jì)移植任務(wù)。這種架構(gòu)使我們可以分別移植ARM和DSP處理器代碼，從而大大簡化了設(shè)計(jì)移植過程。圖2給出了Eutecus硬件系統(tǒng)的框圖，以及基于MVE的參考SoC設(shè)計(jì)。 我們的MVE引擎包括運(yùn)行在MicroBlaze(MB0)上的InstantVision嵌入式軟件，運(yùn)行在MicroBlaze(MB1)上的系統(tǒng)控制和通信部分以及C-MVA協(xié)處理器。C-MVA協(xié)處理器是運(yùn)行在FPGA構(gòu)造上的硬件加速器IP內(nèi)核模塊鏈。 利用ISE設(shè)計(jì)套件和MicroBlaze軟核，我們的ARM和DSP代碼移植工作相當(dāng)簡單。一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)就是，InstantVision跨平臺環(huán)境是采用高級標(biāo)準(zhǔn)C/C++語言編寫的，只需要很少的修改。 圖2：Dual-MicroBlaze(r) System-on-Chip(SoC)架構(gòu)MVE引擎協(xié)處理器框圖。 從功能的觀點(diǎn)來看，MVE解決方案由三層組成，將接收標(biāo)準(zhǔn)/高清晰視頻流作為輸入數(shù)據(jù)，然后生成事件檢測元數(shù)據(jù)。生成的元數(shù)據(jù)提供目標(biāo)/事件跟蹤和分類支持，同時(shí)將一些用于調(diào)試目的的圖像流也作為分析輸出。我們的功能模塊要么通過運(yùn)行在MicroBlaze處理器上的嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)，要么就以專用IP內(nèi)核方式實(shí)現(xiàn)。我們將這些專用硬件加速器置入FPGA構(gòu)造，這些加速器構(gòu)成的加速器鏈就組成了C-MVA分析協(xié)處理器。 圖3：視頻分析算法組織的框圖。 圖4：MVE分析引擎、InstantVision和驅(qū)動(dòng)軟件。 為真正發(fā)揮FPGA視頻分析系統(tǒng)的全面潛力，我們需要將視頻加速引擎集成到嵌入式系統(tǒng)中。我們預(yù)見到幾個(gè)性能瓶頸，因此設(shè)計(jì)小組開始采用VHDL進(jìn)行一組加速器的早期開發(fā)。作為賽靈思ISE設(shè)計(jì)套件和嵌入式開發(fā)套件(EDK)的一部分，代碼剖析器幫助我們進(jìn)一步確定性能瓶頸并開發(fā)設(shè)計(jì)所需要的所有加速器模塊。表2提供了系列IP內(nèi)核的全面列表。 表2：為第三代MVE / C-MVA開發(fā)的專用硬件加速模塊IP內(nèi)核系列。 我們的IP內(nèi)核開發(fā)流程包括一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)模塊開發(fā)流程，用于基于PLB46MPMC-OPB的回傳。這些外設(shè)包括單端和多I/O原型(SIMO、MIMO、MISO模型)，支持我們?yōu)橐罂量痰膱D像流處理算法靈活創(chuàng)造多線程協(xié)處理器流水線。在設(shè)計(jì)和定制不同分析引擎的過程中，通過近乎任意次序?qū)P內(nèi)核進(jìn)行組合和配置，我們達(dá)到了這方面的要求。 MVE分析引擎由InstantVision嵌入式軟件模塊以及構(gòu)成C-MVA分析協(xié)處理器的硬件加速器組成。我們在一片Xilinx Spartan-3A-DSP 3400AFPGA中實(shí)現(xiàn)了MVE的原型，并創(chuàng)建了SoC參考設(shè)計(jì)。其中包括所有通信和數(shù)據(jù)流所需要的I/O功能(參考圖2了解完整的硬件固件框圖)。這一完整的SoC參考設(shè)計(jì)使用了91%的邏輯片資源、81%的塊RAM和32%的DSP邏輯片，不僅包含MVE分析引擎，還包括所有支持I/O模塊。 圖5：完整的硬件-固件-軟件參考設(shè)計(jì)。 在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，我們設(shè)計(jì)的CMVA協(xié)處理器中所有IP內(nèi)核可以完成所有相關(guān)處理。這一功能與異步FSL接口相結(jié)合，系統(tǒng)集成商能夠利用來自系統(tǒng)其它部分的不同時(shí)鐘域來驅(qū)動(dòng)C-MVA協(xié)處理器。這樣做可以讓C-MVA在較低的像素時(shí)鐘頻率中運(yùn)行，同時(shí)利用更高頻率的內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘來驅(qū)動(dòng)主干(backbone)，從而在保證系統(tǒng)性能要求的同時(shí)大大降低功耗。 定制、封裝和系統(tǒng)集成 為驗(yàn)證并進(jìn)一步開發(fā)這一系統(tǒng)，我們創(chuàng)建了一個(gè)包括所有軟件層在內(nèi)的安全/監(jiān)控應(yīng)用，允許用戶在系統(tǒng)的不同層面快速集成我們的產(chǎn)品(參見側(cè)欄)。完整SoC設(shè)計(jì)在單個(gè)參考設(shè)計(jì)中包括硬件IP內(nèi)核、固件和軟件，請見圖4。 我們可在硬件、固件和軟件組件等不同層次進(jìn)行靈活定制以組成系統(tǒng)集成。服務(wù)器級的定制包括FPGA中的可定制SoC設(shè)計(jì)，而在客戶(配置)一級，則可在WIN32 或 .Net API層進(jìn)行修改。這種架構(gòu)使我們及客戶可快速實(shí)現(xiàn)不同配置和測試接口的原型。 用戶可以在UART或TCP/IP上實(shí)現(xiàn)客戶-服務(wù)器(C/S)通信，從而提供靈活的配置管理、性能精細(xì)調(diào)整、狀態(tài)監(jiān)控和固件升級。 盡管剛剛完成第二代產(chǎn)品，但我們已經(jīng)開始考慮第三代產(chǎn)品的要求。根據(jù)在這一項(xiàng)目中取得的經(jīng)驗(yàn)，我們在新一代產(chǎn)品中會(huì)著重考慮賽靈思的FPGA器件，特別是賽靈思公司正在致力于利用最先進(jìn)的工藝技術(shù)推出更可靠更先進(jìn)的新器件和DSP功能。 作者： Csaba Rekeczky， 聯(lián)合首席技術(shù)官兼副總裁 rcsaba@eutecus.com Eutecus公司 Akos Zarandy 聯(lián)合首席技術(shù)官兼副總裁 zarandy@eutecus.com Eutecus公司 Joe Mallett 高級產(chǎn)品線經(jīng)理 jmallett@xilinx.com 賽靈思公司 |
