鄭雪麗，汪 濤

（重慶大學(xué) 物理學(xué)院，重慶 400040）

隨著嵌入式技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，各種應(yīng)用設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)成為未來發(fā)展的一個(gè)重要方向，網(wǎng)絡(luò)相機(jī)就是近年來在傳統(tǒng)相機(jī)的基礎(chǔ)上結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展而來的。隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)相機(jī)圖像分辨率不斷提出新的要求，傳統(tǒng)的基于ARM和DSP等技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)相機(jī)已經(jīng)無法達(dá)到實(shí)時(shí)要求。本文采用集成度高、靈活性高以及并行處理能力強(qiáng)的FPGA作為系統(tǒng)核心器件來設(shè)計(jì)一款500萬像素實(shí)時(shí)壓縮與傳輸?shù)母咔寰W(wǎng)絡(luò)相機(jī)，重點(diǎn)介紹在FPGA平臺(tái)上提高DM9000A發(fā)送數(shù)據(jù)帶寬的兩點(diǎn)應(yīng)用改進(jìn)。

1 硬件設(shè)計(jì)

DM9000A是Davicom公司推出的一款高速以太網(wǎng)接口芯片，是完全集成的符合成本效益的單芯片快速以太網(wǎng)MAC控制器，其功耗低，處理性能高，而其操作又非常簡單，具有通用的處理器接口，可以與多種處理器直接連接，數(shù)據(jù)總線寬度可設(shè)置為8 bit和16 bit，支持 3.3 V和5 V電源模式[1]。

EP3C55是Altera公司低成本、低功耗的CycloneⅢ系列FPGA器件，該器件具有5.5萬個(gè)IE邏輯單元，2.4 MB的嵌入式RAM資源和312個(gè)硬件乘法器[2]。

在本設(shè)計(jì)中，EP3C55控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。EP3C55首先需要完成對(duì)DM9000A的初始化。完成對(duì)CMOS攝像頭的初始化，然后啟動(dòng)圖像采集，對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行JPEG壓縮，再通過 DM9000A發(fā)送至 PC，同時(shí) DM9000A還接收從PC發(fā)送過來的控制數(shù)據(jù)幀，由FPGA負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并進(jìn)行相應(yīng)的控制操作，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

系統(tǒng)中FPGA與DM9000A的接口如圖2所示，DM9000A采用 16位總線操作模式，SD0～SD15、CMD、INT、IOR、IOW均與 FPGA的通用I/O口相連。

2 對(duì)FPGA操作DM9000A的改進(jìn)

2.1 Nios CPU與硬件模塊切換操作DM9000A

本設(shè)計(jì)使用DM9000A實(shí)時(shí)傳輸JPEG壓縮后的500萬像素圖片，需要達(dá)到14幀/s的實(shí)時(shí)速度。為了保證圖像質(zhì)量，壓縮比選擇在25倍左右，通過計(jì)算可知DM9000A的速度需要達(dá)到55 Mb/s左右。由于DM9000A操作需要一個(gè)復(fù)雜的初始化流程，因此通常在FPGA驅(qū)動(dòng)DM9000A時(shí)均采用如Nios或者M(jìn)icroblaze等FPGA內(nèi)嵌CPU的形式[3-4]。因?yàn)槭褂肍PGA內(nèi)嵌CPU，通常都是使用GPIO模擬DM9000A接口時(shí)序，對(duì)DM9000A進(jìn)行讀寫操作，DM9000A的并口最大支持100 MHz的操作速度，而嵌入CPU的GPIO通常最大頻率也只能達(dá)到1 MHz～2 MHz的頻率，最終導(dǎo)致DM9000A的網(wǎng)絡(luò)速度不會(huì)大于10 Mb/s，所以采用內(nèi)嵌CPU后，雖然提高了對(duì)DM9000A操作的靈活性，但卻大幅度降低了對(duì)DM9000A的操作速度。為了消除該瓶頸，使網(wǎng)絡(luò)速度達(dá)到要求，本文提出了如圖3所示的NiosⅡ嵌入式CPU與硬件邏輯模塊切換操作DM9000A的模式。

圖2 FPGA與DM9000A之間的接口

圖3 DM9000A控制模塊

圖3所示模塊是一個(gè)自定義的AVALON-MM設(shè)計(jì)，由NiosⅡ CPU控制該模塊的各種操作，該模塊定義了一個(gè)狀態(tài)寄存器IMAGE_STATE_REG和一個(gè)控制寄存器IMAGE_CONTROL_REG。32位狀態(tài)寄存器的[4：0]代表FIFO1深度，[5]位代表 FIFO1錯(cuò)誤，[6]位代表 FIFO2錯(cuò)誤，[7]位代表硬件邏輯一次傳輸完成標(biāo)志，[8：19]代表本次傳輸包序號(hào)，[20：31]代表本次傳輸包的有效數(shù)據(jù)長度。32位的控制寄存器的[0]位控制總線切換，[1]位控制硬件邏輯的發(fā)送使能，[2]位控制讀取FIFO1，[3]位控制復(fù)位FIFO1和FIFO2。

FPGA通過DM9000A發(fā)送出的圖像幀長度固定為1 442 B，其中 42 B為包頭，1 400 B為圖像數(shù)據(jù)，而圖像數(shù)據(jù)中最開始的4個(gè)字節(jié)是從ISR讀出來的圖像幀符號(hào)和有效圖像長度，JPEG壓縮模塊按照該格式對(duì)壓縮后的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，先往FIFO2中不斷寫入圖像數(shù)據(jù)，當(dāng)圖像數(shù)據(jù)滿1 400 B時(shí)即往FIFIO1寫入一個(gè)命令數(shù)據(jù)，當(dāng)每一幀圖像的最后一個(gè)包不滿1 400 B時(shí)，將向FIFO2中寫0補(bǔ)足1 400 B，同時(shí)在FIFO1中寫入命令數(shù)據(jù)時(shí)指示本包中的有效圖像長度。CPU初始化DM9000A以及從FIFO1、FIFO2讀出數(shù)據(jù)的具體流程如圖4所示。

圖4 NiosⅡ與硬件邏輯切換操作DM9000A發(fā)送包流程

使用該方法可以完全清楚因?yàn)樽x寫DM9000A接口引起的網(wǎng)絡(luò)速度瓶頸，然而使用該方法后，DM9000A最大速度還只能達(dá)到50 Mb/s左右，因此又提出如下的改進(jìn)。

2.2 發(fā)送數(shù)據(jù)包程序的優(yōu)化

通?？刂艱M9000A發(fā)送一包網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的流程是首先向DM9000A緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)，然后寫入本次需要發(fā)送數(shù)據(jù)的長度至DM9000A寄存器，再啟動(dòng)發(fā)送使能，發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)之前首先不斷讀取DM9000A的發(fā)送完成狀態(tài)寄存器。通過分析這種流程發(fā)現(xiàn)，向DM9000A緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)需要大量時(shí)間，另外DM9000A發(fā)送一包數(shù)據(jù)又需要大量時(shí)間，而這兩部分時(shí)間又是完全不重疊的，由此才導(dǎo)致DM9000A速度最大只能達(dá)到50 Mb/s。如何進(jìn)一步提高DM9000A的網(wǎng)絡(luò)速度？通過仔細(xì)查看DM9000A的數(shù)據(jù)手冊發(fā)現(xiàn)，DM9000A支持最多在發(fā)送緩沖區(qū)存放兩幀數(shù)據(jù)，DM9000A會(huì)自動(dòng)根據(jù)寫入的先后順序?qū)?shù)據(jù)幀編號(hào)，同時(shí)又針對(duì)不同幀的狀態(tài)寄存器。本文發(fā)送的一個(gè)數(shù)據(jù)包長度為1 400 B，發(fā)送緩沖區(qū)大小為3 KB，因此緩沖區(qū)大小滿足同時(shí)存在兩個(gè)幀的需求，本應(yīng)用中可以采用DM9000A發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)寫入數(shù)據(jù)，優(yōu)化后的數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖5所示。

使用該優(yōu)化方法后，DM9000A的數(shù)據(jù)發(fā)送帶寬可以穩(wěn)定達(dá)到75 Mb/s，滿足了本設(shè)計(jì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求。

系統(tǒng)采用Altera FPGA EP3C55控制DM9000A以太網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)壓縮圖像的以太網(wǎng)傳輸，創(chuàng)新性地提出了采用FPGA內(nèi)嵌CPU與硬件邏輯交替控制DM9000A的方式來提高DM9000A的網(wǎng)絡(luò)帶寬，另外還通過優(yōu)化DM9000A的軟件程序，使得FPGA使用DM9000A發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的帶寬穩(wěn)定達(dá)到75 Mb/s。本系統(tǒng)最終使得DM9000A網(wǎng)絡(luò)部分滿足高清圖像壓縮后實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枨?，同時(shí)有力地拓寬了FPGA在嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用范圍。

圖5 優(yōu)化后的DM9000A發(fā)包程序流程

[1]DAVICOM SemiconductorInc.DM9000A技術(shù)手冊[Z].DVICOM半導(dǎo)體有限公司，2006.

[2]AlteraCorporation.CYCLONE III.技術(shù)手冊[Z].Altera Corporation，2008.

[3]薛吳，佘勇，姚振東，等，基于 MicroBlaze和 DM9000A的以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù)，2013，46（2）：32-34.

[4]徐洪建.基于DM9000A的網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（12）：19-21

[5]徐晶晶.基于FPGA的交通監(jiān)控視頻采集系統(tǒng)研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2009.