一种ARM+DSP协作架构的FPGA验证实现

2.1ARM负责准备阶段

ARM从Flash中运行启动代码，通过配置PLD来连接FPGAX3S5000中的AHBC，目的在于ARM通过AHBC同FPGAX2V6000中的DSPCore进行交互。

　　代码唤醒外部DMA通过以太网口从PC机端搬运第一帧待处理的图像数据，放到双核公用的外部SRAM memory既定的地址段中。然后，ARM Core通过AHBC控制FPGAX2V6000中的DSPCore。

　　这里需要说明两点：

　　(1) FPGA开发板的的图像传输是通过专门配置的带有LXT972芯片的以太网口与PC机的以太网口进行交互， 如图3所示。图3左边的以太网子板即图1中的Ethernet模块。

　　(2)DSPCore顶层的wrapper是支持AMBA协议的TOP Module，其中包括一个Debug Sub-Module。ARM就是通过读写Debug Sub-Module的控制寄存器来控制DSP Core的启动、停止等工作状态的。所以说，Debug Sub-Module是整个FPGA工程最为关键的部件之一，它直接关系到ARM和DSP之间的交互。本项目中，利用Debug Sub-Module实现对DSP Core的复位、启动、暂停、断点设置、单步运行、读写内部SRAM、读DSP Core寄存器等一系列功能，大大方便了调试工作，同时也非常便捷地实现了ARM和DSP的交互运行。

　2.2 DSP运行阶段

　　ARM写控制寄存器使DSP Core复位，并把小目标识别的程序代码写入DSP内部的SRAM0中等待DSP启动运行，由ARM控制DSP Core运行起来。DSP Core运行完程序之后，会在外部SRAM的一个地址上返回一个标志数（0x00ff00ff），同时进入idle状态，完全释放对AHBC的操作。每隔一段时间，ARM检查一下相应地址上的这个标志数，如果没有，则表示程序还未运行完，ARM继续检查；如果有，则表示程序已经运行完毕，ARM将进入下一步操作。

　　选用这种流程有两个特点：(1)ARM完全实现了控制和辅助的作用，而运行部分则完全由DSP负责，各自分工明确。(2)ARM和DSP实现了很好的交互，严谨地控制了流程的运行步骤。

　2.3 ARM控制停止返回

　　ARM通过写控制寄存器把DSP Core停下来，从外部SRAM的既定地址段中取出DSP Core运行完所返回的小目标的坐标信息，并通过以太网口返回到PC机端，在显示界面的此帧图像上显示出小目标。图4为其中一帧图像的处理结果显示。

　　ARM擦除DSP Core运行完毕的标志数，同时判断当前处理完的图像是否为最后一帧，如果不是，则流程跳回DMA搬运步骤去执行下一帧图像，同时加上必要的控制，避免写程序的重复执行；如果是，则结束整个程序运行。这样循环下去，直到所有图像序列处理完毕。

　　这个过程充分显示了ARM在控制流程的判断跳转方面所起到的主要作用。由ARM的平台来实现对整个视频序列的最终处理控制过程，显得非常清晰便捷。

　3 体系架构的调试

　　3.1 FPGA的选取

　　FPGA的选取一定要合适（这里主要针对容量而言）。以本开发过程为例， Xilinx的两片FPGA（X2V6000和X3S5000）的容量分别为600万门和500万门左右，而项目的硬件代码容量却稍微超出了这个范围，所以不得不对一些模块作精简和舍弃。即便如此，两片FPGA的利用率都已大于90%。

　　一般来说，FPGA的利用率达到70%或多一些是比较好的，太高的利用率反而容易造成板子的不稳定。本开发过程就有一些不稳定因素，例如，因一些数据线、地址线的个别位传输值不正确，需要花大量的精力才能追查出这些存在问题的线路，然后更换Bonding连接，选用其他的通路。同时，所造成的不稳定因素也会影响下载代码的运行速度。目前经过Xilinx的软件工具ISE综合出来的FPGA可下载代码受时序约束，所能达到的速度上限为25MHz时钟频率。

　　容量大的FPGA的成本同样也会比较高，所以在研发需要和成本之间必须找到一个比较好的平衡点，这在整个电路设计阶段就要预测得比较好，但这不太容易做到，需要经验的积累。

　3.2 观测点的预留

　　开发板在设计电路图阶段，一定要预留出足够的观测点。这一点非常重要。因为：在后来的调试过程中，当出现问题时需要追查线路，而目前的FPGA调试软件还不成熟，并不像RTL代码前端仿真那样方便，能够把所有的信号都输出到屏幕上观看，而且FPGA调试时使用的逻辑分析仪只能够测量观测点的信号波形，如果观测点不够的话，当出现逻辑错误时，根本没办法追查下去，找不到问题的所在，或者需要做相当繁琐的重复工作，才能把估计存在问题的线路节点信号连（Bonding）到仅有的观测点上。如果经排查，估计得不正确或者需要进一步拉出更多的其他信号时，又需要重新花时间将节点新信号连到观测点。这样，会耗费非常多的时间和精力。因为对每一次新的节点生成一版新的FPGA下载代码都很烦琐。

　　所以，从电路的设计之初，预留出足够的观测点，尽量将更多的节点信号连到观测点上。这样将会极大地方便调试工作，加快整个研发进程。

　3.3 FPGA调试的原则

　　FPGA的调试应该按照由简入繁的步骤进行。这样可以方便研发人员快速地熟悉板子，并且容易定位问题的所在。

　　由于整个ARM+DSP体系结构是由ARM加上两块FPGA共同工作，相对比较复杂，相互之间交互性比较多。所以，在调试整个程序之前，可以先通过另外的小程序和硬件结构分别调通ARM对两片FPGA的交互；然后，再用较为简单的功能模块调试好三块片子的简单交互功能；最后，把整个大程序应用在上面进行尝试。这样一步步下来，出现问题时，就比较容易发现问题所在，方便调试。

　　例如，可以先不考虑FPGA X2V6000，单独调试ARM通过FPGA X3S5000中的AHBC对外部SRAM读写的控制，成功之后，再将FPGA X2V6000考虑进去，但先不考虑Debug模块对DSP的控制，单独将Debug模块提取出来，下载到FPGA X2V6000当中；然后再调试ARM通过FPGA X3S5000中的AHBC对于FPGA X2V6000当中的Debug模块的控制寄存器的读写情况等。