许多实时图像和视频处理功能均适合于用FPGA组件来实现,包括:图像旋转、图像缩放色彩校正和色度校正、阴影增强、边缘检测、直方图功能、锐化、中值滤波器和斑点分析等。在一个视频监控系统中,视频信号是通过多台摄像像机产生的。FPGA的作用就是接收来自视频编码器的ITU-RBT656格式数字视频信号并将处理后的视频数据送到监视器上显示和送至数字媒体处理器或DSP中进行压缩,并存储至硬盘。
在实现中,视频处理涉及到多相网络视频服务器转换器、二维FIR滤波器和屏幕显示到覆盖、阿尔法混合等简单效果以及格式和颜色空间转换等复杂处理。对于这些算法,Xilinx FPGA是其理想的开发平台,其强大的DSP处理能力意味着有可能支持非常高的分辨率(画质高达1080p),并且可以缩小大型DSP阵列的尺寸。并且FPGA是可重新编程的硬件,可灵活尝试新颖、高性能、基于硬件的视频和图像算法。除了FPGA器件这一并行、灵活的优势外,Xilinx还提供了视频IP模块组、设计工具、开发板等三方面的资源。
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在目前系统级互连速率已达到1Gbps的设计中,先进的高速串行技术迅速取代传统的并行技术,成为业界的主流。高速串行技术不仅能够带来更高的性能、更低的成本和更简化的设计,克服了并行的速度瓶颈,还节省了I/O资源,使印制板的布线更简单。因此,被越来越广泛地应用于各种系统设计中,包括PC、消费电子、海量存储器、服务器、通信网络、工业计算和控制、测试设备等。
Xilinx公司的Rocket I/O硬核模块都采用了CML(CurrentMode Logic)、CDR、线路编码(8B/10B)和预加重等技术,可极大地减小时钟扭曲、信号衰减和线路噪声对接收性能的影响,从而使传输速率进一步提高,最高可达10Gbps以上,可用于实现吉比特以太网、PCI-Express等常用接口。
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功耗问题正日益变成电子系统的一个重要评断因素。对便携式应用来说,主要体现在电池寿命;对固定应用则体现在最高工作温度。
Xilinx公司一直关注FPGA应用中的功耗问题,从芯片和软件工具等方面提供了全方位的解决方案,在90nm工艺上,Virtex-4器件的启动浪涌功耗降低了94%;静态功耗降低了78%。功耗的显著下降是由于采用了独特的节能配置电路和90nm三栅极氧化层技术,减轻了系统电源和冷却系统的负担,从而改善了系统的长期可靠性并降低了系统总成本,使得设计人员在得益于功耗降低的同时,仍可实现业界最高水平的性能。针对 FPGA 设计中的功耗分析,Xilinx公司推出了简单的速查表格和专用的功耗分析工具——XPower。对于开发初期的 FPGA功耗估算,设计者一般使用Xilinx公司提供的简单图表和公式。
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随着20世纪80年代中期Xilinx公司推出其第一款现场可编程门阵列(FPGA)以来,另一种实现手段———可重构计算技术逐渐受到人们的重视,因为它能够提供硬件功能的效率和软件的可编程性,随着可编程器件容量根据摩尔定律的不断增大和自动设计技术的发展,可重构技术正迅速地成熟起来。
可重构处理技术是一种全新的信息处理方法,对提高电子信息系统的实时处理能力、自适应能力、可靠性、降低硬件系统的规模和功耗具有重大的理论和实际意义。随着可重构计算技术逐渐成为研究热点,它也从一开始仅在军事、航天领域应用逐渐扩展到民用汽车电子领域的应用。汽车电子以其特殊性给了可重构计算技术更多的表现机会,因此,汽车电子很有可能成为可重构计算技术进入民用领域的突破口。
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随着无线通信范围的扩大,无线通信系统也有越来越多的类型,可以分为微波通信系统、无线电寻呼系统、蜂窝移动通信、无绳电话系统、集群无线通信系统、卫星通信系统、分组无线网等典型的通信系统。其中的移动通信技术在世界范围内获得了广泛的应用,成为令人神往的高技术风景线,但就正式商业运营而言,至今也不过只有30年的历史。从其发展历程来看,大约每十年更新一代,目前处于第二代(2G)和第三代(3G)的交接期。
在无线通信领域里,SOC由于具有极强的实时性,使其对话音进行实时处理成为可能;由于它是通过面向芯片结构的软件编程来实现其功能的,因而仅修改软件而不需改硬件平台就可以改进系统原有设计方案或原有功能,因而具有极大的灵活性;又由于这种情况下的FPGA芯片并非专门为某种功能设计的,因而使用范围广、产量大、价格可以降到很低。所以FPGA将会越来越多地应用于无线通信系统中,它的优良性能将会促进无线通信的发展;而带来的无线通信蓬勃发展又将会进一步促进FPGA技术的不断进步。
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FPGA设计的研发成本要比ASIC低几个数量级,开发人员设计FPGA时,不用面对数百万美元的模板成本,不需要在晶体管级单元布局布线上的高级专业技能,也不需要昂贵的自动设计工具和工艺库。FPGA的可编程能力还避免了今后大量的研发开支。在产品生命周期中,如果需要在已有设计中加入新功能,对FPGA重新进行编程便可以简单地实现功能改进。而对ASIC设计进行微小的改动也需要在新模板上投入大量人力物力。
各种客户群大量采用FPGA,使FPGA的产效在消费类设计上和大批量ASIC水平相当。FPGA在体系结构、设计和工艺上是目前最先进的技术,足以和最好的ASIC进行竞争。而且,研发上的投入也保证了FPGA成为功能更强大、质量更好的可靠器件。在过去几年中,FPGA的收益超出了半导体市场的总体水平,而且有加速发展的趋势,原因在于芯片技术的复杂度越来越高,业界大量应用降低了对产品量产的预期。设计人员转向基于FPGA的设计后,能够从芯片物理设计难题中抽身而出,让FPGA公司去解决这些问题,把精力集中在应用和系统设计的核心能力以及价值定位上。
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