基于赛灵思Spartan-3A DSP的安全视频分析

图 2. Dual-MicroBlaze® System-on-Chip (SoC)架构MVE引擎协处理器框图

　　我们的MVE引擎包括运行在MicroBlaze (MB0)上的InstantVision嵌入式软件，运行在MicroBlaze (MB1)上的系统控制和通信部分以及C-MVA协处理器。C-MVA协处理器是运行在FPGA构造上的硬件加速器IP内核模块链。

　　利用ISE设计套件和MicroBlaze软核，我们的ARM和DSP代码移植工作相当简单。一个突出优点就是，InstantVision跨平台环境是采用高级标准C/C++语言编写的，只需要很少的修改。

　　一旦完成代码移植，我们验证其功能的正确性并且识别出性能瓶颈。事实表明，优化和加速对原TI处理器开发的C/C++代码是一项重要挑战，因为当初在开发这一平台的过程中，我们在汇编级优化时使用了几个DaVinci C64x+协处理加速模块。在转换过程中，我们遵循以下一系列步骤：首先利用高级C函数来重写这些模块。最后，用运行在FPGA构造上的同等功能加速器模块来代替这些模块的大部分功能。

　　从功能的观点来看，MVE解决方案由三层组成，将接收标准/高分辨率视频流作为输入数据，然后生成事件检测元数据。生成的元数据提供目标/事件跟踪和分类支持，同时将一些用于调试目的的图像流也作为分析输出。我们的功能模块要么通过运行在MicroBlaze处理器上的嵌入式软件实现，要么就以专用IP内核方式实现。我们将这些专用硬件加速器置入FPGA构造，这些加速器构成的加速器链就组成了C-MVA分析协处理器。

　　如图3所示，MVE视频分析引擎的三个算法层包括几个主要的功能模块。利用FPGA中可用资源动态配置的专用IP内核可大大加速这些功能模块。C-MVA协处理器的设计基于这些IP内核，整个分析算法的前端和中层（参见图4）加速也是如此。我们可以利用赛灵思ISE设计套件支持的这种模块化设计方法同时在性能和功耗方面对系统进行扩展。

图 3. 视频分析算法组织的框图

图 4. MVE 分析引擎、InstantVision和驱动软件

　　利用FPGA加速器模块增压

　　为真正发挥FPGA视频分析系统的全面潜力，我们需要将视频加速引擎集成到嵌入式系统中。 我们预见到几个性能瓶颈，因此设计小组开始采用VHDL进行一组加速器的早期开发。 作为赛灵思ISE设计套件和嵌入式开发套件（EDK）的一部分，代码剖析器帮助我们进一步确定性能瓶颈并开发设计所需要的所有加速器模块。表2提供了系列IP内核的全面列表。

表2： 为第三代MVE / C-MVA开发的专用硬件加速模块IP内核系列

　　与其他开发小组一样，我们的开发小组也分别由不同的硬件和软件开发人员组成。对于维持开发人员的生产力以保证项目的成功来说，在这两个设计领域之间保留足够的抽象非常关键。我们利用Xilinx Platform Studio中的Create IP Wizard来改进这一任务，为硬件加速模块生成RTL模块和软件驱动文件。这些模块包括访问寄存器所需要的接口逻辑、嵌入式系统中的DMA逻辑和FIFO。一旦利用模块创建了RTL，我们就将其放到嵌入IP目录中，设计人员可根据需求进一步修改。

　　我们的IP内核开发流程包括一个通用的标准外设模块开发流程，用于基于PLB46MPMC-OPB的回传。这些外设包括单端和多I/O原型（SIMO, MIMO, MISO模型），支持我们为要求苛刻的图像流处理算法灵活创造多线程协处理器流水线。在设计和定制不同分析引擎的过程中，通过近乎任意次序对IP内核进行组合和配置，我们达到了这方面的要求。

　　MVE分析引擎由InstantVision嵌入式软件模块以及构成C-MVA分析协处理器的硬件加速器组成。我们在一片Xilinx Spartan-3A-DSP 3400A FPGA中实现了MVE的原型，并创建了SoC参考设计。其中包括所有通信和数据流所需要的I/O功能（参考图2了解完整的硬件固件框图）。 这一完整的SoC参考设计使用了91%的逻辑片资源、81%的块RAM和32%的DSP逻辑片，不仅包含MVE分析引擎，还包括所有支持I/O模块。

　　单就MVE分析引擎来说（不包括MPMC-PLB主干和专用I/O组件），它仅使用了46%的逻辑片、44%的块RAM和23%的DSP逻辑片，因此可以将其移植到成本更低的Spartan3A-DSP 1800A FPGA器件。

　　在单个时钟周期内，我们设计的CMVA协处理器中所有IP内核可以完成所有相关处理。这一功能与异步FSL接口相结合，系统集成商能够利用来自系统其它部分的不同时钟域来驱动C-MVA协处理器。这样做可以让C-MVA在较低的像素时钟频率中运行，同时利用更高频率的内部系统时钟来驱动主干（backbone），从而在保证系统性能要求的同时大大降低功耗。

　　定制、封装和系统集成

　　为验证并进一步开发这一系统，我们创建了一个包括所有软件层在内的安全/监控应用，允许用户在系统的不同层面快速集成我们的产品（参见侧栏）。完整SoC设计在单个参考设计中包括硬件IP内核、固件和软件，请见图5。