C2H技术在智能相机系统中的应用

    引言

    近年来,智能相机已广泛应用于工业自动化及各种通讯系统中,其技术也趋于成熟。总的来说智能相机是一种高度集成化的微小型机器视觉系统。它将图像的采集、处理与通信功能集成于单一相机内,从而提供了具有多功能、模块化、高可靠性、易于实现的机器视觉解决方案。随着FPGA(现场可编程门阵列,Field Programmable Gate Array)性能和集成度的提高,用一片FPGA来实现整个系统已经成为一个新的发展方向,可满足多种机器视觉的应用需求。

   采用基于FPGA嵌入IP软核的SOPC(可编程的片上系统,System On Programmable Chip)技术可以弥补将IP硬核直接植入FPGA的一些不足,如知识产权费用问题、需要根据实际修改处理器结构等。目前嵌入式处理器种类很多。Altera公司的NiosII处理器是用于可编程逻辑器件的可配置的软核处理器,与Altera低成本的Cyclon FPGA组合,具有很高的性价比。NiosII C语言至硬件(C2H)加速编译器将时间要求较高的ANSI C函数转换为FPGA中的硬件加速器,可以大大提升软件的性能,并使得硬件加速器通过Avalon交换架构和CPU、存储器直接连接,同时支持指针和数组,具有高效的存储器处理延迟预知调度和流水线等特性。

    本文通过搭建智能相机系统平台,将C2H技术应用于图像数据存储和传送部分,可以加快数据的读写速度,从而提高整个系统的性能。

    1 C2H技术介绍

    1.1 C2H概念

    C2H是一种可以直接对ANSI C函数定制硬件加速的技术,自推出之后就得到了嵌入式及FPGA设计者的广泛使用。C2H编译器能分析程序要加速实现的存储器接口类型,生成硬件加速器逻辑以及合适的Avalon(总线互联架构)的主机和从机接口,达到与存储器延时的匹配。这样,分担了处理器的数据计算和存储器访问任务,使处理器能够更好的处理其他任务。数据表明,与未采用C2H加速的系统相比,采用NiosII C2H编译器加速的系统性能可以提高一个数量级,而耗费的逻辑资源仅比处理器本身多出0.7至2.0倍。

    NiosII C2H编译器具有识别并行运行事件的功能,能在硬件中同时运行相互独立的事件。与前面结果无关的事件将被尽早的执行。软件调用以线程的方式进行加速,每个加速器完全并行运行,实现真正的多任务系统。系统中可以有很多个加速器,加速器是和Nios II处理器分离的,但是能够访问Nios II处理器可以访问的存储器。

    1.2 C2H编译器特性

    C2H编译器通过将特定的C函数实现为硬件加速器来改善Nios II程序的性能。C2H编译器不是将C作为设计语言来产生任意的硬件系统的工具。C2H编译器需建立在这两个前提之上: