大尺寸测量信息高速并行处理技术研究

发布时间：2016-08-23 07:10

1绪论

大尺寸信息处理系统可实现对较大尺寸的图像信息进行实时采集、传输和处理。随着数字信号处理器的快速发展,基于FPGA与DSP的信息处理系统应用十分广泛。该类系统又可细分为三类:单片处理器组成的处理系统,如单FPGA或者单DSP系统;异构处理器组成的并行处理系统,如ARM+DSP的结构;多处理器组成的并行处理系统,如多个FPGA和多个DSP的结构。西安电子科技大学的王狄于2012年设计了一种基于FPGA的图像信息处理系统。这种单片处理器的运算能为以及外围接口有限,在很多计算压力大、性能要求高的图像处理工程中并不能满足要求。武汉大学的郑顺义于2014年设计了一种ARM+DSP架构的机载影像实时拼接系统,其本质为异构处理器组成的并行信息处理系统。这种结构的异构处理器之间接口连接方式、以及输入输出连接方式不同使得系统结构复杂,性能差别较大。
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2大尺寸测量信息处理系统分析

2.1系统需求分析

本文选用了TI公司的多核浮点高性能处理器TMS320C6678C以下简称C6678)作为系统的核心处理器,由C6678完成系统的图像处理的核屯、算法。该芯片单片具有8个高性能内核,是一个高效的并行硬件系统。表2-2为TI公司C66X系列产品的性能汇总,从表中对比可发现C6678有着远超同类型DSP的性能配置 (1)C6678单片芯片集成了8个内核,每个核最窩工作频率达到1.25。单个指令周期可执行32个定点数据运算,或者执行16个浮点数据运算。(2)C6678的每个核具有64KB的1级和512KB的2级存储空间,芯片片内具有一个4MB的共享SRAM,供内核数据交互使用。如果内部存储空间不满足应用要求,C6678还提供DDR3控制器接口,通过外接DDR3,可直接控制8GB的范围。

2.2并行处理硬件技术

针对本系统数据量大,要求采集、处理速度快和实时性高的持点,若采用单个处理器,则对处理器的性能要求极高。在过去的50年时间里,摩尔定律准确的预测出集成电路中晶体管的数量每两年就会翻一番,这使得处理器的性能一直在不断的提升中。而为了使成倍増加的晶体管数量与系统的性能相匹配,在芯片设计时需増加时钟频率,提升内存性能,提商指令并行性等。然而这三方面都遇到了发展瓶颈:(1)半导体设备体积变小将导致时钟频率和PCB布线受到限制,时钟频率提升;同时时钟頻率越高将导致电量消耗越严重,功耗过高又带来散热等问题。(2)处理器和内存之间的速度差距不断增大,导致内存访问性能提升有限。(3)由于绝大多数的应用缺乏固有的并行性,使得指令级并行受限。多核处理器可很好地弥补上述问题,能够在不提髙运行频率的同时满足性能要求,并通过并行程序开发提高整体性能。在多核处理器上可以将大尺寸测量信息的复杂处理任务分配给多个处理器完成,从而满足测量仪系统的信息处理需求。因此基于并行结构的信息处理系统是必然的选择。如第一章中介绍,对比信息处理系统的研究现状及多核DSP的发展,最终决定采用FPGA+多核DSP的并行处理的方式,设计系统总体方案如下图2-2所示。

3多核并行处理关键技术理论........17

3.1并行任务分配模型17
3.2核间通信技术........20
3.3数据存储交互技术........21
4系统硬件电路设计........25
4.1系统硬件电路总体规划........25
4.2C6678核也电路设计28
5系统关键技术性能试验研究........45
5.1核间通信方式试验........45
5系统关键技术性能试验研究........45
5.1核间通信方式试验........45
5.2高速CACHE性能试验........48
5.3并行访问存储器性能试验........50
5.4本章小结.........61

6系统应用验证与分析

6.1实验平台开发环境

在本系统开发中充分利用了DSP的CSL(ChipSupportUbrary)芯片支持库。TI公司开发的用于配置、控制和管理DSP片上外设的一组API函数,CSL库函数大多数是用C语言编写的,并对代码的大小和速度进行了优化。在程序设计过程中利用CSL库函数可方便地访问DSP的寄存器和硬件资源,提高DSP软件的开发效率和速度。在图像处理算法实现过程中充分利用了两个强大的视频图像支持库。IMGL旧TI公司为DSP封装的图像处理库函数,其内容主要分为下三个部分:图像分析处理函数库、图像滤波处理算法函数库、图像压缩/解压缩函数库。表6-1统计了IMGL旧中的具体函数内容。

6.2算法实例分析

由于本系统针对大尺寸團像信息进行处理,图像处理算法总体相对简单。根据3.1节的研究分析,系统适合应用主从模型。也即将数据并行化处理。本文设计了基于数据分割的主从并行处理模型,将图像数据进行分割,每个内核针对不同数据块进行相同的图像处理任务。每个数据块的大小相同,且复杂度相对可忽略,使得每个内核的负载几乎相同,处理的时间也化近相同,从而大大的提离并行效率,同时,这也方便了后续研究中算法的更新和复杂度变化,大大的降低了开发难度,増强了系统的适应性。

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7结论

为解决应用传统测量方法对大尺寸部件测量时存在的精度低、工艺复杂等问题,国家仪器专项旨在开发一款新型全视角髙精度H维测里仪。在对大尺寸部件进行视觉测量时,测量信息具有分辨率高、数据量大且要求的采集处理速度高、实时性髙的特点。为话应这些特点,达到测量仪的要求,本文对大尺寸测量信息高速并行处理技术进行研究,搭建图像测量信息高速、高实时性采集处理系统。该系统作为新型测量仪的核必部件和重要组成部分,对高性能图像采集处理系统的实现以及大尺寸部件的测量具有重大意义。本文结合当前飞速发展的嵌入式图像信息处理技术,设计开发了一款以8核DSP为核也的嵌入式图像信息采集处理系统。本文完成的主要研究内容和解决的关键技术如下:(1)对测量仪大尺寸测量信息处理系统需求进行分析,并针对系统特点和性能要求,提出基于C6678的多核DSP并行处理方案。并对多核硬件技术及多核并行开发技术进行分析,总结在系统设计和实现过程中将面临的主要关键技术问题。

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参考文献（略）

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本文编号：100721