摘要：隨著電子產(chǎn)業(yè).工商業(yè)以及軍事化產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，越來(lái)越多的復(fù)雜運(yùn)算已經(jīng)無(wú)法單純利用算法上的優(yōu)化處理來(lái)大幅提升執(zhí)行速度.為了解決日益復(fù)雜的計(jì)算問(wèn)題，利用多核處理勢(shì)必成為一種大勢(shì)所趨.所以著手從多核和單核對(duì)比出發(fā)，利用Xilinx 的XUP Virtex-2 Pro建立多核處理平臺(tái)（基于Shared Memory通信機(jī)制）以及單核平臺(tái)，并將相同的圖像處理算法DCT分別運(yùn)行在所構(gòu)造的基于FPGA的單核和多核硬件平臺(tái)上，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，比較多核和單核運(yùn)行所需的時(shí)間以及資源的消耗，最終的結(jié)果有力的說(shuō)明多核在圖像處理方面的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

0 引言

基于FPGA的嵌入式應(yīng)用在近幾年來(lái)作為一個(gè)比較新穎的課題，已經(jīng)在通信.消費(fèi)電子.醫(yī)療.工業(yè)和軍事等諸多領(lǐng)域占據(jù)了相當(dāng)重要的地位.相對(duì)于其他芯片來(lái)說(shuō)，使用FPGA設(shè)計(jì)的電路執(zhí)行速度快.上市時(shí)間短.成本低廉.可靠性高以及易于維護(hù)升級(jí).正是這些優(yōu)點(diǎn)才使得FPGA的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，備受各個(gè)領(lǐng)域設(shè)計(jì)師們的青睞.但是有關(guān)于它在多核體系上的研究卻一直很少有人涉及.本文在研究各種核間通信機(jī)制的基礎(chǔ)上，提出了一種基于Mailbox核間機(jī)制的多核處理系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中集成了Xilinx的軟核處理器Microblaze,其降低了使用多信號(hào)處理板但來(lái)的成本問(wèn)題同時(shí)還節(jié)省了空間，對(duì)更好的發(fā)揮多核系統(tǒng)提出了新的解決方案.

1 總線機(jī)制與核間通信機(jī)制

在多核嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，核間通信機(jī)制與核間傳輸總線在選用時(shí)很有講究，常用的總線有：OPB總線.PLB總線.XCL總線.FSL總線.LMB總線，同時(shí)多核通信系統(tǒng)中常用的通信機(jī)制以及通信手段包括：Mailbox,Mu-tex,Shared Memory,Interrupt,PLBv46_PLBv46 Bridge,FSL互連機(jī)制，DMA Controller等.如圖1所示。

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1.1 PLB總線

PLB 總線（Processor Local Bus）總線包括了一個(gè)總線控制單元.一個(gè)看門狗定時(shí)器以及獨(dú)立的地址和讀/寫數(shù)據(jù)路徑單元，另外，還包括了一個(gè)可選用的DCR（Device Control Register）從接口以提供對(duì)總線錯(cuò)誤狀態(tài)寄存器的訪問(wèn)。

1.2 LMB總線

LMB 總線主要用來(lái)連接片上BRAM（BlockRAM）.為了能在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成訪問(wèn)，LMB采用了最少的控制信號(hào)和簡(jiǎn)單協(xié)議的方式.它分為指令寄存器DLMB 和數(shù)據(jù)寄存器ILMB 兩類接口，而且這些接口只和BRAM連接。

1.3 Shared Memory通信機(jī)制

共享內(nèi)存是一種典型的快速異步通信機(jī)制，因其使得零拷貝有可能實(shí)現(xiàn)，固非常適用于大于1 000 B的大型數(shù)據(jù)量共享的情況，共享內(nèi)存可分為兩種：BlockRAM和外部?jī)?nèi)存DDRR。

2 RGB2YCrCb 算法以及DCT算法介紹

RGB,YCrCb是表示顏色時(shí)經(jīng)常用到的兩種顏色空間，在應(yīng)用中經(jīng)常需要實(shí)現(xiàn)它們之間的轉(zhuǎn)換.例如在人臉檢測(cè)中就常常用到Y(jié)CrCb空間，因?yàn)橐话愕膱D像都是基于RGB 空間的，在RGB 空間里人臉的膚色受亮度影響相當(dāng)大，所以膚色點(diǎn)很難從非膚色點(diǎn)中分離出來(lái)，也就是說(shuō)在此空間經(jīng)過(guò)處理后，膚色點(diǎn)是離散的點(diǎn)，中間嵌有很多非膚色，這為膚色區(qū)域標(biāo)定（人臉標(biāo)定.眼睛等）帶來(lái)了難題.如果把RGB轉(zhuǎn)為YCrCb空間的話，可以忽略Y（亮度）的影響，因?yàn)樵摽臻g受亮度影響很小，膚色會(huì)產(chǎn)生很好的類聚。

而DCT 變換是視頻壓縮編解碼器中很重要的一部分，被廣泛應(yīng)用于各種視頻格式的編碼算法中，例如：
JPEG,MPEG1,MPEG2,H.264等.

DCT 是先將整體圖像分為N×N 的像素塊，然后對(duì)N×N 的像素塊逐一進(jìn)行DCT變換.由于大多數(shù)圖像的高頻分量較小，對(duì)應(yīng)于圖像高頻分量的系數(shù)經(jīng)常為零，加上人眼對(duì)于高頻成分的失真不太敏感，所以可以用更粗糙的量化.因此，傳送變換系數(shù)的數(shù)碼率要大大小于傳送圖像像素所用的數(shù)碼率.圖像到達(dá)接收端后通過(guò)反離散余弦變換回到樣值，雖然會(huì)有一定的是真，但人眼是可以接受的，公式如下：

式中C（u） 和C（v） 在u.v 為0時(shí)等于1 2 ,其他情況下均為1,而x,u = 0,1,2,…，M – 1 ; y,v = 0,1,2,…，N – 1.

3 多核系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)境與系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)

本文所采用的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境是Xilinx 公司旗下的ISE 10.1開(kāi)發(fā)套件，硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用的是Xilinx 的XUP Virtex-2 Pro[8-9]開(kāi)發(fā)板，而ISE 10.1開(kāi)發(fā)套件嵌入了EDK 開(kāi)發(fā)包（其集成了Xilinx Platform studio,SoftwareDevelopment,庫(kù)文件生成器，編譯工具等開(kāi)發(fā)模塊），這樣就大大方便了軟硬件的開(kāi)發(fā).