仝軍勝

摘 要：在海量數(shù)據(jù)的處理過(guò)程中，單個(gè)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速率、處理精度不能滿足數(shù)據(jù)處理的快速時(shí)效性，因此本系統(tǒng)采用機(jī)群并行處理系統(tǒng)，將MPI（Message Passing Interface）消息傳遞接口，安裝在每臺(tái)計(jì)算機(jī)上，獲取圖像數(shù)據(jù)后，主節(jié)點(diǎn)按集群中處理器節(jié)點(diǎn)數(shù)（包括主節(jié)點(diǎn)自身）對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，將每部分?jǐn)?shù)據(jù)傳送給集群每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理。每個(gè)節(jié)點(diǎn)處理完成后，再傳送回主節(jié)點(diǎn)，由主節(jié)點(diǎn)合成。提高處理速度，縮短處理時(shí)間，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)。最后保證完成Giga級(jí)像素的圖像采集傳輸顯示。

關(guān)鍵詞：Giga級(jí)；PCI接口；MPI圖像處理

1基于FPGA的PCI數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)

建立起基于FPGA的PCI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，此系統(tǒng)中FPGA通過(guò)PCI總線協(xié)議，使PCI接口顯卡與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，并借由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)后續(xù)的圖像處理功能。

1.1 FPGA芯片在PCI接口上的設(shè)計(jì)

在FPGA與CMOS傳感器連接時(shí)，F(xiàn)PGA僅僅是作為數(shù)據(jù)的輸入一方，但是FPGA在于PCI主線連接的過(guò)程中，雙方接觸的模塊會(huì)更多，引腳更加復(fù)雜，所傳導(dǎo)的電子信號(hào)也更加復(fù)雜。在FPGA集成到PCI接口時(shí)，主要需要對(duì)可編程邏輯模塊、系統(tǒng)存儲(chǔ)模塊和本地總線控制模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.1.1 FPGA的邏輯設(shè)計(jì)

在FPGA芯片與CMOS傳感器設(shè)計(jì)階段，從處理海量數(shù)據(jù)的角度而言，需要對(duì)FPGA芯片的緩存進(jìn)行擴(kuò)展，可以擴(kuò)展為DPRAM和FIFO兩種形式，以此來(lái)提升FPGA芯片在采集和傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的緩沖能力。下圖中我們展示了利用LPM宏功能實(shí)現(xiàn)FIFO模式緩沖模塊的結(jié)構(gòu)圖，這是一種利用QUARTUS軟件對(duì)FPGA模塊進(jìn)行改造的方法，體現(xiàn)了FPGA模塊的靈活性。

圖1-1 LPM宏功能實(shí)現(xiàn)FIFO模式緩沖模塊結(jié)構(gòu)圖

1.1.2 系統(tǒng)存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)

在進(jìn)入特定的工作模式后，SDRAM會(huì)等待控制器對(duì)其發(fā)出讀、寫或者其他指令。由于SDRAM的工作模式很多，所以SDRAM收到的信號(hào)和指令也非常多樣，包括空操作、激活、寫操作、預(yù)充電等等，這些信號(hào)通過(guò)RASN、CASN以及WEN三種信號(hào)的不同組合來(lái)傳達(dá)，并且在與寄存器內(nèi)的設(shè)置進(jìn)行配對(duì)之后由SDRAM做出對(duì)應(yīng)的操作。下圖中我們給出了一種應(yīng)用于SDRAM控制器的內(nèi)部模塊設(shè)計(jì)思路。

圖1-2系統(tǒng)存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)電路圖

這個(gè)模塊包括控制接口模塊、命令解析及相應(yīng)模塊以及數(shù)據(jù)通路模塊。控制接口模塊的主要功能是接收系統(tǒng)的控制信號(hào)。命令解析及相應(yīng)模塊的主要功能包括命令解析、命令響應(yīng)和時(shí)間控制。系統(tǒng)存儲(chǔ)模塊在使用之前也需要進(jìn)行初始化，具體步驟是在系統(tǒng)上電之后，對(duì)SDRAM相繼發(fā)出PRECHARGE、REFRESH以及LOAD_MODE指令，完成對(duì)系統(tǒng)存儲(chǔ)模塊工作模式的設(shè)定，此后再分別發(fā)出LOAD_REG1以及LOAD_REG2命令，對(duì)控制器進(jìn)行刷新，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)SDRAM模塊的初始化。

1.1.3本地總線控制模塊

本地總線控制模塊共有8個(gè)工作狀態(tài)，分別是IDLE/READWAIT/SINGLERD/ BURSTRD/WRITEWAIT/SINGLEWR/BURSTWR/PCIDONE。不同的工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)的信號(hào)是不一樣的，這八個(gè)工作狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)著：空閑、讀等待、單周期讀、Burst讀、寫等待、單周期寫等待、Burst寫等待以及傳輸結(jié)束。

至此，基于FPGA的Giga級(jí)別圖像PCI數(shù)據(jù)采集卡基本已經(jīng)成型，系統(tǒng)中使用的圖像采集元件為CMOS傳感器，課題中總共使用了四個(gè)鏡頭，每個(gè)鏡頭中安裝了9個(gè)CMOS圖像傳感器，這36個(gè)CMOS圖像傳感器將能夠形成圖像采集陣列，實(shí)現(xiàn)總體上的Giga級(jí)圖像采集。

1.2 PCI數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)

WinDriver是開發(fā)PCI總線應(yīng)用程序中經(jīng)常用到的開發(fā)包組件，使用這種程序語(yǔ)言編寫程序時(shí)，不需要對(duì)操作系統(tǒng)的內(nèi)核有太多了解，并且這種語(yǔ)言還提供現(xiàn)成的函數(shù)庫(kù)，大大減輕了用戶的使用難度。具體的操作方法是將PCI擴(kuò)展卡插入到計(jì)算機(jī)PCI插槽中，運(yùn)行DriverWizard程序，創(chuàng)建新的驅(qū)動(dòng)程序，然后選擇PCI 9054作為編寫對(duì)象，使用者可以選擇自己熟悉的開發(fā)環(huán)境，然后生成驅(qū)動(dòng)程序框架代碼。

2.基于MPI的圖像并行處理方法

從處理器接收到圖像塊之后對(duì)圖像進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理操作。下面我們以圖像的輪廓提取為例，結(jié)合具體的MPI代碼展示MPI并行化圖像的預(yù)處理方法。

2.1并行圖像輪廓提取的步驟

在基于MPI的并行圖像輪廓提取處理中，大致要經(jīng)過(guò)四個(gè)步驟：

首先，機(jī)群中主處理器讀取位于它本身的圖像的數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)，圖像數(shù)據(jù)來(lái)自PCI總線。

其次，主處理器根據(jù)輪廓提取的分區(qū)方法劃分把圖像成為N塊并且向各子處理器發(fā)出查詢，在收到Slave處理機(jī)的確認(rèn)回應(yīng)后，分配數(shù)據(jù)塊至準(zhǔn)備就緒的子處理器。

在子處理器到主處理器：發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)之后，子處理器會(huì)記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊特征，期間以消息傳遞的方式根據(jù)算法要求從主處理器上獲取輪廓提取的算法，并應(yīng)用并行算法對(duì)分配到的原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行輪廓提取，得到提取的結(jié)果后向主處理器發(fā)送，完成本節(jié)點(diǎn)的任務(wù)。

最后，主處理器對(duì)子處理器發(fā)回的輪廓提取結(jié)果進(jìn)行合成，完成并行輪廓提取工作。

2.2圖像輪廓提取的MPI代碼實(shí)現(xiàn)

輪廓提取的數(shù)學(xué)表述是對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行一階微分，算法實(shí)現(xiàn)的基木思想是，獲取圖像數(shù)據(jù)字節(jié)（或字符）數(shù)組后，主節(jié)點(diǎn)按集群中處理器節(jié)點(diǎn)數(shù)（包括主節(jié)點(diǎn)自身）對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行行劃分將每部分?jǐn)?shù)據(jù)傳送給集群每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理、每個(gè)節(jié)點(diǎn)處理完成后再傳送回主節(jié)點(diǎn)由主節(jié)點(diǎn)合成。

（1）并行程序的初始化及前期準(zhǔn)備

首先初始化MPI運(yùn)行環(huán)境，獲取用戶指定執(zhí)行參數(shù)，然后獲取集群中運(yùn)行程序的節(jié)點(diǎn)數(shù)pnum，最后獲取執(zhí)行程序的機(jī)器號(hào)myrank，一般設(shè)置0號(hào)為主節(jié)點(diǎn)。

主節(jié)點(diǎn)讀取圖像，包括圖像信息頭和待處理圖像數(shù)據(jù)。對(duì)于信息頭需要傳送給其他處理節(jié)點(diǎn)的，可以用廣播方式進(jìn)行。

（2）數(shù)據(jù)的劃分與傳輸

在完成系統(tǒng)的初始化以及數(shù)據(jù)的讀取之后，就需要對(duì)原始數(shù)據(jù)在各個(gè)子處理器（子節(jié)點(diǎn)）之間進(jìn)行劃分，然后將劃分后的數(shù)據(jù)傳送到各個(gè)節(jié)點(diǎn)。

（3）數(shù)據(jù)的處理

在將數(shù)據(jù)傳到各個(gè)節(jié)點(diǎn)之后，各個(gè)節(jié)點(diǎn)將按照統(tǒng)一的算法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，在本例中就是對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一階求導(dǎo)，來(lái)提取原始圖像的輪廓。

（4）數(shù)據(jù)傳回

各個(gè)子節(jié)點(diǎn)在處理完數(shù)據(jù)后，會(huì)將處理結(jié)果傳回到主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)通過(guò)合成各個(gè)子節(jié)點(diǎn)的提取結(jié)果，得到最終的輪廓提取圖像。從節(jié)點(diǎn)發(fā)回?cái)?shù)據(jù)，主節(jié)點(diǎn)接受數(shù)據(jù)，保存在合適的位置。完成后，主節(jié)點(diǎn)完成最后其他工作。這就是利用MPI并行程序設(shè)計(jì)進(jìn)行圖像預(yù)處理的過(guò)程。

結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的硬件電路基本實(shí)現(xiàn)了Giga級(jí)圖像采集和預(yù)處理的功能，但是在系統(tǒng)整體性能上，還存在一些不足，需要改進(jìn)。本文主要是從控制實(shí)現(xiàn)的角度對(duì)圖像采集系統(tǒng)做了一些研究和開發(fā)，然而經(jīng)過(guò)深入研究，發(fā)現(xiàn)基于本系統(tǒng)的研究還有大量的工作需要完成。

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