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，越來越多的復雜運算已經(jīng)無法單純利用算法上的優(yōu)化處理來大幅提升執(zhí)行速度.為了解決日益復雜的計算問題，利用多核處理勢必成為一種大勢所趨.所以著手從多核和單核對比出發(fā)，利用Xilinx 的XUP Virtex-2 Pro建立多核處理平臺（基于Shared Memory通信機制）以及單核平臺，并將相同的圖像處理算法DCT分別運行在所構(gòu)造的基于FPGA的單核和多核硬件平臺上，觀察實驗結(jié)果，比較多核和單核運行所需的時間以及資源的消耗，最終的結(jié)果有力的說明多核在圖像處理方面的絕對優(yōu)勢。

0 引言

基于FPGA的嵌入式應用在近幾年來作為一個比較新穎的課題，已經(jīng)在通信.消費電子.醫(yī)療.工業(yè)和軍事等諸多領域占據(jù)了相當重要的地位.相對于其他芯片來說，使用FPGA設計的電路執(zhí)行速度快.上市時間短.成本低廉.可靠性高以及易于維護升級.正是這些優(yōu)點才使得FPGA的應用范圍越來越廣泛，備受各個領域設計師們的青睞.但是有關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制的基礎上，提出了一種基于Mailbox核間機制的多核處理系統(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處理板但來的成本問題同時還節(jié)省了空間，對更好的發(fā)揮多核系統(tǒng)提出了新的解決方案.

1 總線機制與核間通信機制

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

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1.1 PLB總線

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

1.2 LMB總線

LMB 總線主要用來連接片上BRAM（BlockRAM）.為了能在一個時鐘周期內(nèi)完成訪問，LMB采用了最少的控制信號和簡單協(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通信機制

共享內(nèi)存是一種典型的快速異步通信機制，因其使得零拷貝有可能實現(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和外部內(nèi)存DDRR。

2 RGB2YCrCb 算法以及DCT算法介紹

RGB,YCrCb是表示顏色時經(jīng)常用到的兩種顏色空間，在應用中經(jīng)常需要實現(xiàn)它們之間的轉(zhuǎn)換.例如在人臉檢測中就常常用到Y(jié)CrCb空間，因為一般的圖像都是基于RGB 空間的，在RGB 空間里人臉的膚色受亮度影響相當大，所以膚色點很難從非膚色點中分離出來，也就是說在此空間經(jīng)過處理后，膚色點是離散的點，中間嵌有很多非膚色，這為膚色區(qū)域標定（人臉標定.眼睛等）帶來了難題.如果把RGB轉(zhuǎn)為YCrCb空間的話，可以忽略Y（亮度）的影響，因為該空間受亮度影響很小，膚色會產(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N×N 的像素塊逐一進行DCT變換.由于大多數(shù)圖像的高頻分量較小，對應于圖像高頻分量的系數(shù)經(jīng)常為零，加上人眼對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.圖像到達接收端后通過反離散余弦變換回到樣值，雖然會有一定的是真，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)設計環(huán)境與系統(tǒng)軟硬件的設計

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