眾所周知，網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)必須智能化，而這些智能化功能，需各種智能軟件算法來(lái)完成。為使這些軟件算法嵌入到安防監(jiān)控設(shè)備，必須要將它們固化到IC芯片中去實(shí)現(xiàn)，目前市場(chǎng)上最為合適而實(shí)用的芯片就是FPGA與DSP。本文介紹FPGA與DSP的含義、種類、原理與特點(diǎn)，兩者性能比較及其在智能安防監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。由于篇幅較長(zhǎng)，將以上、中、下三篇分別刊登。其中（上）篇主要介紹FPGA與DSP的含義、種類、原理和特點(diǎn)等內(nèi)容。

FPGA
FPGA 的含義、配置模式與類型
    FPGA（Field Programmable Gate Array）是現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是在PAL、GAL、EPLD等可編程邏輯器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物，是專用集成電路（ASIC）中集成度最高的一種。FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個(gè)新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個(gè)部分。用戶可對(duì)FPGA內(nèi)部的邏輯模塊和I/O模塊重新配置，以實(shí)現(xiàn)用戶的邏輯。它還具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動(dòng)態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過(guò)編程來(lái)修改。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，不僅解決了定制電路的不足，還克服了原有可編程邏輯器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

    可以毫不夸張地講，F(xiàn)PGA能完成任何數(shù)字器件的功能，上至高性能CPU，下至簡(jiǎn)單的74電路，都可以用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)。FPGA如同一張白紙或是一堆積木，工程師可以通過(guò)傳統(tǒng)的原理圖輸入法，或是硬件描述語(yǔ)言自由的設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，通過(guò)軟件仿真，可以事先驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。在PCB完成以后，還可以利用FPGA的在線修改能力，隨時(shí)修改設(shè)計(jì)而不必改動(dòng)硬件電路。使用FPGA來(lái)開(kāi)發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，減少PCB面積，提高系統(tǒng)的可靠性。

    目前，F(xiàn)PGA的品種很多，有XILINX的 XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來(lái)設(shè)置其工作狀態(tài)的，因而工作時(shí)需要對(duì)片內(nèi)的RAM進(jìn)行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。FPGA的配置模式有如下幾種。

1、并行主模式
    即一片F(xiàn)PGA加一片EPROM的方式。

2、主從模式
    可以支持一片PROM編程多片F(xiàn)PGA的方式。

3、串行模式
    可以采用串行PROM編程FPGA的方式。

4、外設(shè)模式
    可以將FPGA作為微處理器的外設(shè)，由微處理器編程FPGA的方式。

    根據(jù)FPGA基本結(jié)構(gòu)的不同，一般有下列三種類型（前兩種應(yīng)用較多）。

1、基于乘積項(xiàng)（Product-Term）技術(shù)的FPGA
    該類FPGA主要由3個(gè)模塊組成：一是邏輯單元陣列（Logic Cell Array），它是FPGA的基本結(jié)構(gòu)，由它來(lái)實(shí)現(xiàn)基本的邏輯功能；二是可編程連線（PIA），它負(fù)責(zé)信號(hào)傳送，連接所有的宏單元；三是I/O控制塊，它負(fù)責(zé)輸入/輸出的電氣特性控制，如可設(shè)定集電極開(kāi)路輸出、擺率控制、三態(tài)輸出等。 [nextpage]

2、基于查找表（Look-Up-Table）技術(shù)的FPGA
    查找表簡(jiǎn)稱LUT，這類FPGA是目前的一種主流產(chǎn)品，其本質(zhì)就是一個(gè)RAM。目前，F(xiàn)PGA中多使用4輸入的LUT，每一個(gè)LUT可看成一個(gè)有4位地址線的16×1的RAM。當(dāng)用戶通過(guò)原理圖或HDL語(yǔ)言描述了一個(gè)邏輯電路后，F(xiàn)PGA開(kāi)發(fā)軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算邏輯電路的所有可能的結(jié)果，并將結(jié)果事先寫(xiě)入RAM。這樣，每輸入一個(gè)信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，就等于輸入一個(gè)地址進(jìn)行查表，找出地址對(duì)應(yīng)的內(nèi)容輸出即可。

3、基于反熔絲（Anti-fuse）技術(shù)的FPGA
    該類FPGA主要作特殊應(yīng)用，它不能重復(fù)擦寫(xiě)，因而初期開(kāi)發(fā)過(guò)程比較麻煩，費(fèi)用也較昂貴?？伤哂胁季€能力更強(qiáng)、系統(tǒng)速度更快、功耗更低、耐高低溫、抗輻射能力強(qiáng)、可加密等許多優(yōu)點(diǎn)，因而多應(yīng)用于軍事與航空航天等特殊要求的領(lǐng)域。

FPGA 的特點(diǎn)
    現(xiàn)在，F(xiàn)PGA可被稱為可訂制的特殊ASIC芯片，它除了具有ASIC的特點(diǎn)外，還具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1、能反復(fù)使用，靈活方便
    目前，大部分的FPGA，在使用時(shí)都需要外接一個(gè)EPROM保存其程序。加電時(shí)，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中的數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)PGA進(jìn)入工作狀態(tài)；掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因而FPGA能反復(fù)使用，即能反復(fù)地編程、擦除、使用，靈活方便。

2、不動(dòng)外圍電路，用不同的軟件可實(shí)現(xiàn)不同的電路功能
    由于用戶對(duì)FPGA能反復(fù)地編程、擦除、使用，因而可在不動(dòng)外圍電路的情況下，用不同的軟件即可實(shí)現(xiàn)不同的功能。即用同一片F(xiàn)PGA，只需換一片EPROM，不同的編程數(shù)據(jù)，就可產(chǎn)生不同的電路功能。

3、可提高系統(tǒng)集成度與可靠性
    隨著超大規(guī)模集成電路工藝的不斷提高，單一芯片內(nèi)部已可以容納上百萬(wàn)個(gè)晶體管，從而使得FPGA芯片所能實(shí)現(xiàn)的功能越來(lái)越強(qiáng)，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。同以往的PAL、GAL等相比，F(xiàn)PGA的規(guī)模比較大，它可替代幾十甚至幾千塊通用的IC芯片，所以FPGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度與可靠性的最佳選擇之一。

4、資金投入小，節(jié)省了許多潛在的花費(fèi)
    通常，F(xiàn)PGA芯片在出廠前都做過(guò)百分之百的測(cè)試，因而無(wú)需設(shè)計(jì)者承擔(dān)投片風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用，設(shè)計(jì)人員只需通過(guò)相關(guān)的軟硬件環(huán)境來(lái)完成芯片的最終功能設(shè)計(jì)即可。因此，使用FPGA的資金投入小，節(jié)省了許多潛在的花費(fèi)。此外，若使用Actel公司的FPGA，其芯片內(nèi)部自帶了Flash ROM，可以存儲(chǔ)程序而不需要外接ROM，更加節(jié)省了成本和制板面積。

5、FPGA軟件易學(xué)易用
    FPGA軟件包中，有各種輸入工具、仿真工具、版圖設(shè)計(jì)工具、編程器等全線產(chǎn)品，電路設(shè)計(jì)人員在很短的時(shí)間內(nèi)，就可完成電路的輸入、編譯、優(yōu)化、仿真，直至最后芯片的制作。因此，設(shè)計(jì)者使用FPGA進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，并不需要具備專門(mén)的集成電路深層次的知識(shí)，因?yàn)镕PGA軟件易學(xué)易用。[nextpage]

DSP
DSP 的含義、結(jié)構(gòu)與分類
    DSP（Digital Signal Processing）是數(shù)字信號(hào)處理器件，是一種獨(dú)特的微處理器，有自己的完整指令系統(tǒng)，是以數(shù)字信號(hào)來(lái)處理大量信息的器件。一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器在一塊不大的芯片內(nèi)包括有控制單元、運(yùn)算單元、各種寄存器以及一定數(shù)量的存儲(chǔ)單元等，在其外圍還可以連接若干存儲(chǔ)器，并可以與一定數(shù)量的外部設(shè)備互相通信，有軟、硬件的全面功能，本身就是一個(gè)微型計(jì)算機(jī)。因此，它是一類專門(mén)為實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)而設(shè)計(jì)的高性能的單片CPU。DSP采用的是哈佛設(shè)計(jì)，即數(shù)據(jù)總線和地址總線分開(kāi)，使程序和數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)在兩個(gè)分開(kāi)的空間，允許取指令和執(zhí)行指令完全重疊，也就是說(shuō)在執(zhí)行上一條指令的同時(shí)就可取出下一條指令，并進(jìn)行譯碼，這就大大的提高了微處理器的速度。此外，還允許在程序空間和數(shù)據(jù)空間之間進(jìn)行傳輸，因?yàn)樵黾恿似骷撵`活性。

    DSP的工作原理是接收模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號(hào)，再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且它的實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬(wàn)條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色。由于它運(yùn)算能力很強(qiáng)，速度很快，體積很小，而且采用軟件編程具有高度的靈活性，因此為從事各種復(fù)雜的應(yīng)用提供了一條有效途徑。

    DSP芯片，也稱數(shù)字信號(hào)處理器，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。DSP芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開(kāi)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門(mén)的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP 指令，可以用來(lái)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。因此，DSP芯片的基本結(jié)構(gòu)如下。

1、哈佛結(jié)構(gòu)
    哈佛結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的存儲(chǔ)空間中，即程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是兩個(gè)相互獨(dú)立的存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址，獨(dú)立訪問(wèn)。與兩個(gè)存儲(chǔ)器相對(duì)應(yīng)的是系統(tǒng)中設(shè)置了程序總線和數(shù)據(jù)總線，從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍。由于程序和存儲(chǔ)器在兩個(gè)分開(kāi)的空間中，因此取指和執(zhí)行能完全重疊。

2、流水線操作
    流水線與哈佛結(jié)構(gòu)相關(guān)，DSP芯片廣泛采用流水線以減少指令執(zhí)行的時(shí)間，從而增強(qiáng)了處理器的處理能力。處理器可以并行處理二到四條指令，每條指令處于流水線的不同階段。

3、專用的硬件乘法器
    專用的硬件乘法器的乘法速度越快，DSP處理器的性能越高。由于具有專用的應(yīng)用乘法器，乘法可在一個(gè)指令周期內(nèi)完成。

4、特殊的DSP指令
    一般，DSP芯片均是采用特殊的指令。

5、快速的指令周期
    通常，哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的DSP指令、快速的指令周期等5部分，再加上集成電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)可使DSP芯片的指令周期在200ns以下。

    DSP的芯片有多種，可以按照以下的三種方式進(jìn)行分類。 [nextpage]

1、按基礎(chǔ)特性分
    根據(jù)基礎(chǔ)特性，即DSP芯片的工作時(shí)鐘和指令類型來(lái)分類，可分為靜態(tài)DSP芯片與一致性的DSP芯片。靜態(tài)DSP芯片是，如果DSP芯片在某時(shí)鐘頻率范圍內(nèi)的任何頻率上能正常工作，除計(jì)算速度有變化外，沒(méi)有性能的下降的DSP芯片；一致性的DSP芯片是， 如果有兩種或兩種以上的DSP芯片，它們的指令集和相應(yīng)的機(jī)器代碼機(jī)管腳結(jié)構(gòu)相互兼容的DSP芯片。

2、按數(shù)據(jù)格式分
    根據(jù)DSP芯片工作的數(shù)據(jù)格式可分為定點(diǎn)DSP芯片與浮點(diǎn)DSP芯片。即數(shù)據(jù)以定點(diǎn)格式工作的DSP芯片稱之為定點(diǎn)DSP芯片；以浮點(diǎn)格式工作的稱為浮點(diǎn)DSP芯片，但不同的浮點(diǎn)DSP芯片所采用的浮點(diǎn)格式不完全一樣，有的DSP芯片采用自定義的浮點(diǎn)格式，有的DSP芯片則采用IEEE的標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)格式。

3、按用途分
    按照DSP芯片的用途來(lái)分，可分為通用型DSP芯片和專用型DSP芯片。通用型DSP芯片適合普通的DSP應(yīng)用，如TI公司的一系列DSP芯片。專用型DSP芯片是為特定的DSP運(yùn)算而設(shè)計(jì)的，更適合特殊的運(yùn)算，如數(shù)字濾波，卷積和FFT等。

DSP的特點(diǎn)
    一般，根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理的要求，DSP芯片本身具有的主要特點(diǎn)是：在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法；程序和數(shù)據(jù)空間分開(kāi)，可以同時(shí)訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)；片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問(wèn)；具有低開(kāi)銷或無(wú)開(kāi)銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持；快速的中斷處理和硬件I/O支持；具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器；可以并行執(zhí)行多個(gè)操作；支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。當(dāng)然，與通用微處理器相比，DSP芯片的其他通用功能相對(duì)較弱些。

    由于DSP系統(tǒng)是以數(shù)字信號(hào)處理為基礎(chǔ)，因此也具有數(shù)字處理的全部特點(diǎn)。

1、接口方便
    DSP系統(tǒng)與其它以現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)或設(shè)備都是相互兼容，這樣的系統(tǒng)接口以實(shí)現(xiàn)某種功能要比模擬系統(tǒng)與這些系統(tǒng)接口要方便容易得多。

2、開(kāi)發(fā)自由度大，編程方便
    DSP支持多種個(gè)性化開(kāi)發(fā)，用戶開(kāi)發(fā)自由度大，可以滿足市場(chǎng)不斷提出的新的要求，在第一時(shí)間提升產(chǎn)品性能，增強(qiáng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力。并且，DSP系統(tǒng)種的可編程DSP芯片，可使設(shè)計(jì)人員在開(kāi)發(fā)過(guò)程中靈活方便地對(duì)軟件進(jìn)行修改和升級(jí)。

3、處理能力強(qiáng)
    由于DSP芯片廣泛采用流水線以減少指令執(zhí)行的時(shí)間，從而增強(qiáng)了處理器的處理能力，因而可在一個(gè)DSP芯片上同時(shí)實(shí)現(xiàn)多路音視頻信號(hào)的壓縮處理，并可提供如視頻濾波、De-interlace處理、OSD等視頻專用功能。甚至像網(wǎng)絡(luò)接口、IDE接口都成為了視頻DSP的主要功能，使進(jìn)一步大幅度降低產(chǎn)品成本成為可能。

4、穩(wěn)定性、可靠性高
    由于DSP系統(tǒng)以數(shù)字處理為基礎(chǔ)，因而受環(huán)境溫度以及噪聲等干擾的影響較小。因?yàn)閿?shù)字處理容易做成大規(guī)模集成電路，各種參數(shù)均存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器內(nèi)，調(diào)節(jié)時(shí)采用數(shù)字設(shè)定、微機(jī)控制，可長(zhǎng)時(shí)間保持不變，因而其穩(wěn)定性、可靠性高。

5、可重復(fù)性好，集成方便
    模擬系統(tǒng)的性能受元器件參數(shù)性能變化比較大，而數(shù)字系統(tǒng)基本上不受影響，因此數(shù)字系統(tǒng)便于測(cè)試，調(diào)試和大規(guī)模生產(chǎn)，可重復(fù)性好。并且，由于DSP系統(tǒng)中的數(shù)字部件有高度的規(guī)范性，也方便于大規(guī)模集成。

6、調(diào)節(jié)精確靈活，精度高
    因各種調(diào)節(jié)是通過(guò)數(shù)字設(shè)定，比用電位器調(diào)節(jié)準(zhǔn)確而容易。如攝像機(jī)的參數(shù)均可以調(diào)節(jié)和設(shè)定，并可以達(dá)到16位數(shù)字系統(tǒng)達(dá)到的精度。（未完待續(xù)）