基于直方圖算法的FPGA設(shè)計(jì)架構(gòu)

基于直方圖算法的FPGA設(shè)計(jì)架構(gòu)引言直方圖統(tǒng)計(jì)在圖像增強(qiáng)和目標(biāo)檢測領(lǐng)域有重要應(yīng)用，比如直方圖均衡，梯度直方圖。直方圖的不同種類和統(tǒng)計(jì)方法請見之前的文章。本章就是用FPGA來進(jìn)行直方圖的計(jì)算，并且利用FPGA的特性對計(jì)算過程進(jìn)行加速。安排如下：首先基于直方圖算法進(jìn)行FPGA架構(gòu)設(shè)計(jì)，這里主要考慮了如何加速以及FPGA資源的利用兩個(gè)因素；最后基于systemVerilog搭建一個(gè)驗(yàn)證系統(tǒng)。FPGA設(shè)計(jì)架構(gòu)不論是圖像灰度直方圖還是梯度直方圖，本質(zhì)上是對數(shù)據(jù)的分布進(jìn)行計(jì)數(shù)。從FPGA角度來看，只關(guān)心以下幾點(diǎn)：1）根據(jù)數(shù)據(jù)大小確定其分布區(qū)間，統(tǒng)計(jì)分布在不同區(qū)間的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，區(qū)間的大小可以調(diào)節(jié)，比如灰度直方圖區(qū)間為1，梯度直方圖通常大于1；2）如何利用FPGA對直方圖統(tǒng)計(jì)進(jìn)行加速，以及如何考慮到芯片有限資源；首先來考慮加速方式，直方圖統(tǒng)計(jì)過程用偽代碼表示為：For（inti=0;iIndex=get_index（data［i］）;Hist［index］++;}Get_index函數(shù)是為了確定數(shù)據(jù)屬于哪個(gè)區(qū)間，如果區(qū)間大小為1，那么index就是數(shù)據(jù)自身。如果區(qū)間是平均分布，那么就需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的大小比較。如果區(qū)間大小是2的冪次，那么index只需要數(shù)據(jù)進(jìn)行移位得到。FPGA在加速計(jì)算中最主要就是利用并行化和流水線，并行化就是將一個(gè)任務(wù)拆解成多個(gè)子任務(wù)，多個(gè)子任務(wù)并行完成。而流水線是在處理一個(gè)子任務(wù)的時(shí)候，下一個(gè)來的子任務(wù)也可以進(jìn)行處理，處理模塊不會(huì)等待。流水線本質(zhì)上是對子任務(wù)也進(jìn)行“分割”，分割的每一塊可以在處理模塊中同時(shí)進(jìn)行。統(tǒng)計(jì)N個(gè)數(shù)據(jù)，可以將N分成M份，在FPGA上同時(shí)進(jìn)行M個(gè)統(tǒng)計(jì)，用偽代碼表示為：For（intk=0;k//并行化For（inti=0;iIndex=get_index（data［k］［i］）;Hist［k］［index］++;}}如果區(qū)間不是2的冪次，就需要比較器，這樣并行M次，就需要M個(gè)同等比較器，這對資源消耗很大。因此目前設(shè)計(jì)僅僅支持2的冪次的區(qū)間。整個(gè)設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1.2。圖2.1流水線處理圖2.2直方圖統(tǒng)計(jì)架構(gòu)主要分為以下幾個(gè)模塊：1）statis：這個(gè)是核心計(jì)算模塊，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分布。ram中存放直方圖統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，地址對應(yīng)著數(shù)據(jù)分布區(qū)間。這里有一個(gè)問題需要考慮，在對ram中直方圖統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)時(shí)，需要讀出然后計(jì)數(shù)。如果ram讀端口沒有寄存器，那么讀出來直接加1，再寫入。但是這樣并不好，因?yàn)閞am不經(jīng)過寄存器時(shí)序不好。所以增加了一級(jí)寄存器，這樣就造成了寫入的延時(shí)，那么有可能下一次數(shù)據(jù)來臨也會(huì)讀取同樣地址的數(shù)據(jù)，此時(shí)讀取到的直方圖數(shù)據(jù)就是還沒有寫入的。為了解決這個(gè)問題，判斷進(jìn)入的前后兩個(gè)數(shù)據(jù)是否相同，如果相同就不寫入而繼續(xù)計(jì)數(shù)，如果不同就寫入。并行多個(gè)statis模塊的代碼為：genvari;generatefor（i=0;istatis#（.PIX_BW（PIX_BW），.HIST_BW（HIST_BW），.ADDR_BW（HIST_LEN_BW），.BIN_W（BIN_W））u_statis（.clk（clk），.rst（rst），.clr（clr），.enable（1‘b1），.pix_valid（pix_valid），.pix（img_i［i*PIX_BW+：PIX_BW］），.hist_rd（branch_hist_rd），.hist_raddr（branch_hist_raddr），.hist（branch_hist［i*HIST_BW+：HIST_BW］））;endendgenerate2）serders：這個(gè)是并轉(zhuǎn)串。M個(gè)statis模塊會(huì)產(chǎn)生M組hist結(jié)果，這些結(jié)果還要進(jìn)行求和，那么就要用到加法樹，如果M較大，會(huì)造成加法樹很大，多以這里加了serders可以調(diào)節(jié)加法樹資源。3）addTree：加法樹。moduleaddTree#（parameterDATA_BW=32，//bitwidthofdataparameterTREE_DEPTH=3，//depthoftheaddtreeparameterADD_N=4//addnumber）（inputclk，inputrst，input［ADD_N*DATA_BW-1:0］adnd_x，input［ADD_N*DATA_BW-1:0］adnd_y，inputadnd_valid，outputreg［DATA_BW-1:0］finl_sum，outputregfinl_sum_valid）;reg［TREE_DEPTH-1:0］midl_valid;genvardept_i，leaf_i;generatefor（dept_i=TREE_DEPTH-1;dept_i》=0;dept_i=dept_i-1）begin：ADD_DPETlocalparamLEAF_N=2**dept_i;wire［DATA_BW-1:0］midl_sum［LEAF_N-1:0］;for（leaf_i=0;leaf_ireg［DATA_BW-1:0］midl_add_x;reg［DATA_BW-1:0］midl_add_y;if（dept_i==TREE_DEPTH-1）beginalways@（posedgeclk）beginmidl_add_xmidl_add_yendendelsebeginalways@（posedgeclk）beginmidl_add_xmidl_add_yendendadder#（.DATA_BW（DATA_BW））u_adder（.adnd_x（midl_add_x），.adnd_y（midl_add_y），.sum（midl_sum［leaf_i］））;endif（dept_i==TREE_DEPTH-1）always@（posedgeclk）beginmidl_valid［dept_i］endelsealways@（posedgeclk）beginmidl_valid［dept_i］endendendgeneratealways@（posedgeclk）beginfinl_sumendalways@（posedgeclk）beginif（rst）finl_sum_validelsefinl_sum_validendendmodule4）accum：累加器。如果加法樹沒有完成M個(gè)hist數(shù)據(jù)的求和，那么就需要通過累加器來完成。圖2.3對ram的處理驗(yàn)證結(jié)構(gòu)1）img_trans：這個(gè)是隨機(jī)化圖像數(shù)據(jù)定義，主要通過SV中constraint來對圖像大小做一些約束；classimg_trans;randintimg_w;randintimg_h;randintimg_blank;randlogic［`PIX_BW-1:0］img［`MAX_IMG_W*`MAX_IMG_H］;constraintimg_cfg_cnst{img_wimg_w》0;img_w%`PARALL==0;img_himg_h》0;img_blankimg_blank》=0;}externfunctionvoidwrite（inputstringf_name）;endclass2）driver：產(chǎn)生image并且發(fā)送給DUT，同時(shí)通過mailbox發(fā)送給ref_model用于對比；classimg_obj;logic［`PIX_BW-1:0］img_que［$］;endclassclassdriver;intimg_w;intimg_h;intimg_blank;logic［`PARALL*`PIX_BW-1:0］img;logic［`PIX_BW-1:0］img_ele;img_objimgObj;img_transimgTrans;externtaskdrive（mailboximg_mbx，virtualimg_inf.testimgInf）;endclass3）ref_model：自己統(tǒng)計(jì)直方圖和DUT的結(jié)果進(jìn)行比對；classref_modl;logic［`PIX_BW-1:0］img;intaddr;img_objimgObj;inthist［`HIST_LEN］;externtaskcalc（inputlogicclk，mailboximg_mbx）;externtaskcomp（virtualimg_inf.test