fpga在图像处理器中的应用

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1、FPGA在图像处理器中的应用

2、第1lun半导体工艺，六层板结构，具有无限次的可重复编程性以及非常高的性价比。2FPGA在系统中功能的实现在图像处理器中，FPCA主要实现FIFO和一些逻辑功能，逻辑主要包括与门、与非门等一些基木的功能，本文主要分析FIFO的设计应用。FIF以先进先出堆栈)是一种在电子系统中得到广泛应用的器件，通常用于数据的缓存和用于容纳异步信号的频率或相位的差异。本图像处理器中FIFO的主要功能有:(1)由于DSP每次只能对EMIF的某一个CE空间进行数据存取，因此通过FIFO将AID变换的数据或进人D/A变换的数据暂存在FIFO内部，使DSP在此期间可以对其它CE空间进行存取

3、。(2)为了满足不同器件速度匹配的需要，采用异步FIFO，由此读和写的时钟不同，使高速的DMA数据传输和相对低速的A/D变换速度相匹配。在本图像处理器中采用了两个异步FIFO，在视频的前向通道和后向通道之间分别加人了两个异步FIFO。前向通道的FIFO主要对经A/D变换的数据缓冲，后向通道的FIFO主要对D/A变换的数据缓冲。2.1异步FIFO的实现方案异步FIFO的实现通常是利用双口RAM和读写地址产生模块来实现的。FIFO的接口信号包括异步的写时钟(PTY)和满标志(FULL)以禁止读写操作。异步FIFO的接口信号和内部模块如图1所示。由图1可以看出，写地址产生模块根据写时钟和写有效信号产

4、生递增的写地址;读地址产生模块根据读时钟和读有效信号产生递增的读地址。FIFO的操作如下:在写时钟中写地址对应的位置中;读时钟将读地址对应的双口RAM中的数据输出到读数据总线上，这样就实现了先进先出的功能。写地址产生模块还根据读地址和写地址关系产生FIFO的满标志。当PTY为1;当RDEN无效时，若写地址=读地址时，EMPTY为1。按照以上方式产生标志信号是为了提前一个时钟周期产生对应的标志信号。由于空标志和满标志控制了FIFO的操作，因此设计中应充分考虑标志错误会引起操作的错误。如上所述，标志的产生是通过对读写地址的比较产生的，则当读写时钟完全异步时，对读写地址进行比较，可能得出错误的结果。

5、例如，在读地址变化过程中，由于读地址的各位变化并不同步，计算读写地址的差值，可能产生错误的差值，导致产生错误的满标志信号。若将未满标志置为满标志时，可能降低了应用的性能，降低写数据速率;而将满标志置为未满时，执行一次写操作，则可能产生溢出错误，这对于实际应用来说是绝对应该避免的。空标志信号的产生也可能产生类似的错误。2.2异步FIFO的具体实现图像处理器中的FIFO为双向异步FIFO，深度为6K,宽度为8bits。在FIFO的设计中，有几个关键问题:(1)从以上分析中可以看出，异步FIFO之所以会发生错误是因为在地址变化时，由于多位地址各位变化时间不同，异步时钟对其进行采样时数值可能为不同于地

6、址变化后数值的其他值，从而产生错误的空标志和满标志，以致于产生FIFO的操作错误。若读写地址采用格雷码编码方式，就可以解决上面的问题。(2)由于FIFO的深度为6K,宽度为8bits,在实现需要用到FPGA内部的BLOCKRAM。在此选用的FPGA型号为X2S200，内部的RAM块大小为4096bits，即512x8bitsoX2S200内部由14个BLOCKRAM,可以满足FIFO的深度和宽度要求。(3)由于为异步双向FIFO,需要四个时钟信号，为了保证时钟信号正确的驱动每个单元，需要对时钟进行锁相处理，可以用FPCA内部的CLKDLL来实现。(4)为了满足FIFO的频率要求，需要对内部的时

7、序进行控制，减少延迟，提高频率。(5)同时为了方便调试和电路板制板，需要把FPGA的管脚固定，并要调整管脚的接口形式，使之可与不同的接口(如LVTTL,LVCMOS2)相匹配。在FIFO的设计过程中，采用了功能描述和原理图相结合的方式。其主要优点是:(1)单一的功能描述综合所实现的电路冗余的电路比较多，电路的工作频率较低，输人输出的延迟较大，使电路的工作效率降低。C2)单一的原理图描述虽然电路的工作频率较高，但实现起来相对困难，需要用门电路产生地址递增、空满标志等信号，并且容易产生逻辑冒险。}3)用原理图和功能描述相结合的方式实现FIFO的功能，可以克服上述两种单一的描述方式作带来的弊端，具有

8、实现起来相对容易，并且电路的工作频率相对较高，输人输出延迟较小的优点。图2给出了具体的实现框图。从图2可以看出，FIFO主要由锁相环、标志控制、译码器、BLOCKRAM以及外部的IOB(InputOutputBuffer)组成。标志控制是整个FIFO的核心，它在其中主要起标志控制的作用，标志控制主要对地址进行控制，产生读写地址并产生空信号和满信号。译码器主要对不同的BLOCKRAM进行控制，对FP