摘要：隨著電子產業.工商業以及軍事化產業的迅猛發展，越來越多的復雜運算已經無法單純利用算法上的優化處理來大幅提升執行速度.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，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分別運行在所構造的基于FPGA的單核和多核硬件平臺上，觀察實驗結果，比較多核和單核運行所需的時間以及資源的消耗，最終的結果有力的說明多核在圖像處理方面的絕對優勢。

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，已經在通信.消費電子.醫療.工業和軍事等諸多領域占據了相當重要的地位.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，在該系統中集成了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省了空間，對更好的發揮多核系統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/寫數據路徑單元，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完成訪問，LMB采用了最少的控制信號和簡單協議的方式.它分為指令寄存器DLMB 和數據寄存器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，固非常適用于大于1 000 B的大型數據量共享的情況，共享內存可分為兩種：BlockRAM和外部內存DDRR。

2 RGB2YCrCb 算法以及DCT算法介紹

RGB,YCrCb是表示顏色時經常用到的兩種顏色空間，在應用中經常需要實現它們之間的轉換.例如在人臉檢測中就常常用到YCrCb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，這為膚色區域標定（人臉標定.眼睛等）帶來了難題.如果把RGB轉為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.由于大多數圖像的高頻分量較小，對應于圖像高頻分量的系數經常為零，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，傳送變換系數的數碼率要大大小于傳送圖像像素所用的數碼率.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 多核系統設計環境與系統軟硬件的設計

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