国产FPGA SOC 双目视觉处理系统开发实例

1. 系统架构解析

本系统基于九游老哥J9俱乐部官网MYC-YM90X构建，搭载安路DR1 FPGA SOC 创新型异构计算平台，充分发挥其双核Cortex-A35处理器与可编程逻辑（PL）单元的协同优势。通过AXI4-Stream总线构建的高速数据通道（峰值带宽可达12.8GB/s），实现ARM与FPGA间的纳秒级（ns）延迟交互，较传统方案提升了3倍的传输效率，极大地提升了系统整体性能。

国产化技术亮点：

• 全自主AXI互连架构，支持多主多从拓扑，确保系统灵活性与可扩展性
• 硬核处理器与PL单元共享DDR3控制器，提高内存带宽利用率（可升级至DDR4）
• 动态时钟域隔离技术（DCIT），确保跨时钟域的数据交互稳定性，避免时序错误
• 国产SM4加密引擎硬件加速模块，为数据加密任务提供硬件级别的支持，提升加密处理效率

图一 系统架构框图

如图一所示，系统架构通过“低内聚，高耦合”的设计思想，通过模块化的设计方式，完成了以下工作。

1.     通过I?C对OV5640摄像头进行分辨率，输出格式等配置。

2.     双目图像数据进行三级帧缓存，FIFO——DMA——DDR。

3.     客制化低延迟ISP（开发者根据场景需求加入）

4.     VTC驱动HDMI输出显示

2. 系统程序开发

2.1 DR1固件架构设计

GUI设计界面，类Blockdesign设计方式，通过AXI总线，连接DR1的ARM核与定制化外设，包括以太网，RAM模块，PL DMA和VTC。

图二 FPGA底层架构框图

2.2 双目视觉处理流水线

2.2.1 传感器配置层

为实现高效的传感器配置，本系统采用混合式I?C配置引擎，通过PL端硬件I?C控制器实现传感器参数的动态加载。与纯软件方案相比，该硬件加速的配置速度提升了8倍，显著降低了配置延迟。

// 可重配置传感器驱动IP  
module ov5640_config (  
input wire clk_50M,  
output tri scl,  
inout tri sda,  
input wire [7:0] reg_addr,  
input wire [15:0] reg_data,  
output reg config_done  
);  
// 支持动态分辨率切换（1920x1080@30fps ? 1280x720@60fps）  
parameter [15:0] RESOLUTION_TABLE[4] = '{...};

该配置引擎支持多分辨率与高帧率动态切换，适应不同应用场景需求。

2.2.2 数据采集管道

系统构建了三级缓存体系，确保数据处理的高效性和实时性：

• 像素级缓存：采用双时钟FIFO（写时钟74.25MHz，读时钟100MHz），实现数据的稳定缓存和传输。
• 行缓冲：使用BRAM的乒乓结构（每行1920像素×16bit），减少数据延迟。
• 帧缓存：通过DDR3-1066 1GB内存支持四帧循环存储，确保图像的持续流畅展示。

// 位宽转换智能适配器  
module data_width_converter #(  
parameter IN_WIDTH = 16,  
parameter OUT_WIDTH = 96  
)(  
input wire [IN_WIDTH-1:0] din,  
output wire [OUT_WIDTH-1:0] dout,  
// 时钟与使能信号  
);  
// 采用流水线式位宽重组技术  
always_ff @(posedge clk) begin  
case(state)  
0: buffer <= {din, 80'b0};  
1: buffer <= {buffer[79:0], din};  
// ...6周期完成96bit组装  
endcase  
end

2.2.3. 异构计算调度

系统通过AXI-DMA（Direct Memory Access）实现零拷贝数据传输，优化内存和外设间的数据交换：

• 写通道：PL→DDR，采用突发长度128、位宽128bit的高速数据传输
• 读通道：DDR→HDMI，配合动态带宽分配（QoS等级可调），确保不同带宽需求的动态适配

2.2.4 VTC显示引擎深度优化

• PL DMA输出显示优化
• 显示时序的优化对高质量图像输出至关重要。通过VTC（Video Timing Controller），本系统能够实现多模式自适应输出。

axi_hdmi_tx#(  
.ID(0),  
.CR_CB_N(0),  
.DEVICE_TYPE(17), // 17 for DR1M  
.INTERFACE("16_BIT"),  
.OUT_CLK_POLARITY (0)  
)  
axi_hdmi_tx_inst (  
.hdmi_clk (pll_clk_150),  
//.hdmi_clk (clk1_out),  
.hdmi_out_clk (hdmi_clk ),  
.hdmi_16_hsync (hdmi_hs ),  
.hdmi_16_vsync (hdmi_vs ),  
.hdmi_16_data_e (hdmi_de),  
.hdmi_16_data (/*hdmi_data*/ ),  
// .hdmi_16_data (hdmi_data ),  
.hdmi_16_es_data (hdmi_data),  
.hdmi_24_hsync (),  
.hdmi_24_vsync (),  
.hdmi_24_data_e (),  
.hdmi_24_data (/*{r_data,g_data,b_data}*/),  
.hdmi_36_hsync (),  
.hdmi_36_vsync (),  
.hdmi_36_data_e (),  
.hdmi_36_data (),  
.vdma_clk (pll_clk_150 ),  
.vdma_end_of_frame (dma_m_axis_last ),  
.vdma_valid (dma_m_axis_valid ),  
.vdma_data (dma_m_axis_data ),  
.vdma_ready (dma_m_axis_ready),  
.s_axi_aclk (S_AXI_ACLK ),  
.s_axi_aresetn (S_AXI_ARESETN ),  
.s_axi_awvalid (axi_ds5_ds5_awvalid ),  
.s_axi_awaddr (axi_ds5_ds5_awaddr ),  
.s_axi_awprot (axi_ds5_ds5_awprot ),  
.s_axi_awready (axi_ds5_ds5_awready ),  
.s_axi_wvalid (axi_ds5_ds5_wvalid ),  
.s_axi_wdata (axi_ds5_ds5_wdata ),  
.s_axi_wstrb (axi_ds5_ds5_wstrb ),  
.s_axi_wready (axi_ds5_ds5_wready ),  
.s_axi_bvalid (axi_ds5_ds5_bvalid ),  
.s_axi_bresp (axi_ds5_ds5_bresp ),  
.s_axi_bready (axi_ds5_ds5_bready ),  
.s_axi_arvalid (axi_ds5_ds5_arvalid ),  
.s_axi_araddr (axi_ds5_ds5_araddr ),  
.s_axi_arprot (axi_ds5_ds5_arprot ),  
.s_axi_arready (axi_ds5_ds5_arready ),  
.s_axi_rvalid (axi_ds5_ds5_rvalid ),  
.s_axi_rresp (axi_ds5_ds5_rresp ),  
.s_axi_rdata (axi_ds5_ds5_rdata ),  
.s_axi_rready (axi_ds5_ds5_rready)  
);

• 动态时序生成器
• 通过PL-PLL动态调整像素时钟，确保显示无卡顿、无闪烁，误差控制在<10ppm内。

// VTC配置代码片段（Anlogic SDK）  
void config_vtc(uint32_t h_total, uint32_t v_total) {  
VTCRegs->CTRL = 0x1; // 使能软复位  
VTCRegs->HTOTAL = h_total - 1;  
VTCRegs->VTOTAL = v_total - 1;  
// 详细时序参数配置  
VTCRegs->POLARITY = 0x3; // HS/VS极性配置  
VTCRegs->CTRL = 0x81; // 使能模块  
}

3. 硬件连接与测试

• 硬件连接

九游老哥J9俱乐部官网的安路飞龙板卡采用2 X 50 PIN 连接器设计，可灵活插拔多种子卡，配合子卡套件，可扩展成多种形态，多种应用玩法。

图三 使用模组，底板，子卡和线缆搭建硬件系统

• 显示测试

实测双目显示清晰，无卡帧，闪屏。

图四 输出显示效果

• 系统集成
• 在FPGA硬件描述文件的基础上，进一步在Linux下实现双摄，为复杂系统调度应用铺平道路。
• 内核加载5640驱动下通过dma搬运ddr数据，在应用层中通过v4l2框架显示到HDMI上，完整数据流如下：
• FPGA DDR → AXI-DMA控制器 → Linux DMA引擎 → 内核dma_buf  → V4L2 vb2队列 → mmap用户空间 → 应用处理

三路DMA设备树HDMI、camera1、camera2代码片段：

//hdmi  
soft_adi_dma0: dma@80400000 {  
compatible = "adi,axi-dmac-1.00.a";  
reg = <0x0 0x80400000 0x0 0x10000>;  
interrupts = <GIC_SPI 83 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;  
clocks = <&axi_dma_clk>;  
#dma-cells = <1>;  
status = "okay";  

adi,channels {  
#size-cells = <0>;  
#address-cells = <1>;  

dma-channel@0 {  
reg = <0>;  
adi,source-bus-width = <32>;  
adi,source-bus-type = <0>;  
adi,destination-bus-width = <64>;  
adi,destination-bus-type = <1>;  
};  
};  
};  
// cam1  
mipi_adi_dma0: dma@80300000 {  
compatible = "adi,axi-dmac-1.00.a";  
reg = <0x0 0x80300000 0x0 0x10000>;  
interrupts = <GIC_SPI 82 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;  
clocks = <&axi_dma_clk>;  
#dma-cells = <1>;  
status = "okay";  

adi,channels {  
#size-cells = <0>;  
#address-cells = <1>;  

dma-channel@0 {  
reg = <0>;  
adi,source-bus-width = <128>;  
adi,source-bus-type = <1>;  
adi,destination-bus-width = <64>;  
adi,destination-bus-type = <0>;  
};  
};  
};  
//cam2  
mipi_adi_dma1: dma@80700000 {  
compatible = "adi,axi-dmac-1.00.a";  
reg = <0x0 0x80700000 0x0 0x10000>;  
interrupts = <GIC_SPI 86 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;  
clocks = <&axi_dma_clk>;  
#dma-cells = <1>;  
status = "okay";  

adi,channels {  
#size-cells = <0>;  
#address-cells = <1>;  

dma-channel@0 {  
reg = <0>;  
adi,source-bus-width = <128>;  
adi,source-bus-type = <1>;  
adi,destination-bus-width = <32>;  
adi,destination-bus-type = <0>;  
};  
};  
};

双路i2c OV5640设备树配置代码片段

camera@3c {  
              compatible = "ovti,ov5640";  
              pinctrl-names = "default";  
            //   pinctrl-0 = <&pinctrl_ov5640>;  
              reg = <0x3c>;  
              clocks = <&ov5640_clk>;  
              clock-names = "xclk";  
            //   DOVDD-supply = <&vgen4_reg>; /* 1.8v */  
            //   AVDD-supply = <&vgen3_reg>;  /* 2.8v */  
            //   DVDD-supply = <&vgen2_reg>;  /* 1.5v */  
            powerdown-gpios = <&portc 8 GPIO_ACTIVE_HIGH>;  
            reset-gpios = <&portc 7 GPIO_ACTIVE_LOW>;  
              port {  
                  /* Parallel bus endpoint */  
                  ov5640_out_0: endpoint {  
                      remote-endpoint = <&vcap_ov5640_in_0>;  
                      bus-width = <8>;  
                      data-shift = <2>; /* lines 9:2 are used */  
                      hsync-active = <0>;  
                      vsync-active = <0>;  
                      pclk-sample = <1>;  
                  };  
              };  
          };

• 性能测试

性能实测数据。

4. 场景化应用扩展

该方案可广泛应用于以下领域：

1. 智能驾驶：前视ADAS系统，包含车道识别和碰撞预警
2. 工业检测：高速AOI（自动光学检测）流水线，提升检测精度和效率
3. 医疗影像：内窥镜实时增强显示，支持多视角成像
4. 机器人导航：SLAM（同步定位与地图构建）点云加速处理，提升机器人自主导航能力

通过安路TD 2024.10开发套件，开发者能够快速移植和定制化开发，具体包括：

• 使用GUI图形化设计约束工具，简化硬件开发过程
• 调用预置的接口与处理器IP，加速产品开发上市时间，专注应用和算法的处理
• 进行动态功耗分析（DPA）与仿真，确保系统的稳定性与高效性

0. One More Thing…

这里，回到我们原点，回到我们开发设计国产 FPGA SOC的初衷 ，芯片也好，模组也好，都只是开始，无论是FPGA，SOC，或者SOM，都是为了以更快，更好，平衡成本，体积，开发周期，开发难度，人员配置等等综合因素，做出的面向解决问题的选择，最终结果是降低成本和产品力的平衡。

安路飞龙系列的问世，让我们很欣喜看见国产SOC FPGA的崛起，希望和业界开发者一起开发构建国产SOC FPGA生态，所以选择将系列教程以知识库全部开源，共同无限进步！

九游老哥J9俱乐部官网可能只是其中非常非常小的一个数据集，但会尽力撬动更大贡献。

获取完整工程链接和更多开发资料请联系support.cn@myir.cn。