眾所周知，網絡視頻監(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完成。為使這些軟件算法嵌入到安防監(jiān)控設備，必須要將它們固化到IC芯片中去實現(xiàn)，目前市場上最為合適而實用的芯片就是FPGA與DSP。本文介紹FPGA與DSP的含義、種類、原理與特點，兩者性能比較及其在智能安防監(jiān)控系統(tǒng)中的應用。由于篇幅較長，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、原理和特點等內容。

FPGA
FPGA 的含義、配置模式與類型
    FPGA（Field Programmable Gate Array）是現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、EPLD等可編程邏輯器件的基礎上進一步發(fā)展的產物，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）這樣一個新概念，內部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內部連線（Interconnect）三個部分。用戶可對FPGA內部的邏輯模塊和I/O模塊重新配置，以實現(xiàn)用戶的邏輯。它還具有靜態(tài)可重復編程和動態(tài)在系統(tǒng)重構的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改。它是作為專用集成電路（ASIC）領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電路數(shù)有限的缺點。

    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，下至簡單的74電路，都可以用FPGA來實現(xiàn)。FPGA如同一張白紙或是一堆積木，工程師可以通過傳統(tǒng)的原理圖輸入法，或是硬件描述語言自由的設計一個數(shù)字系統(tǒng)，通過軟件仿真，可以事先驗證設計的正確性。在PCB完成以后，還可以利用FPGA的在線修改能力，隨時修改設計而不必改動硬件電路。使用FPGA來開發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設計時間，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RAM中的程序來設置其工作狀態(tài)的，因而工作時需要對片內的RAM進行編程。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、外設模式
    可以將FPGA作為微處理器的外設，由微處理器編程FPGA的方式。

    根據(jù)FPGA基本結構的不同，一般有下列三種類型（前兩種應用較多）。

1、基于乘積項（Product-Term）技術的FPGA
    該類FPGA主要由3個模塊組成：一是邏輯單元陣列（Logic Cell Array），它是FPGA的基本結構，由它來實現(xiàn)基本的邏輯功能；二是可編程連線（PIA），它負責信號傳送，連接所有的宏單元；三是I/O控制塊，它負責輸入/輸出的電氣特性控制，如可設定集電極開路輸出、擺率控制、三態(tài)輸出等。 [nextpage]

2、基于查找表（Look-Up-Table）技術的FPGA
    查找表簡稱LUT，這類FPGA是目前的一種主流產品，其本質就是一個RAM。目前，F(xiàn)PGA中多使用4輸入的LUT，每一個LUT可看成一個有4位地址線的16×1的RAM。當用戶通過原理圖或HDL語言描述了一個邏輯電路后，F(xiàn)PGA開發(fā)軟件會自動計算邏輯電路的所有可能的結果，并將結果事先寫入RAM。這樣，每輸入一個信號進行邏輯運算，就等于輸入一個地址進行查表，找出地址對應的內容輸出即可。

3、基于反熔絲（Anti-fuse）技術的FPGA
    該類FPGA主要作特殊應用，它不能重復擦寫，因而初期開發(fā)過程比較麻煩，費用也較昂貴?？伤哂胁季€能力更強、系統(tǒng)速度更快、功耗更低、耐高低溫、抗輻射能力強、可加密等許多優(yōu)點，因而多應用于軍事與航空航天等特殊要求的領域。

FPGA 的特點
    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的特點外，還具有以下幾個特點：

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

2、不動外圍電路，用不同的軟件可實現(xiàn)不同的電路功能
    由于用戶對FPGA能反復地編程、擦除、使用，因而可在不動外圍電路的情況下，用不同的軟件即可實現(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，單一芯片內部已可以容納上百萬個晶體管，從而使得FPGA芯片所能實現(xiàn)的功能越來越強，同時也可實現(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
    通常，F(xiàn)PGA芯片在出廠前都做過百分之百的測試，因而無需設計者承擔投片風險和費用，設計人員只需通過相關的軟硬件環(huán)境來完成芯片的最終功能設計即可。因此，使用FPGA的資金投入小，節(jié)省了許多潛在的花費。此外，若使用Actel公司的FPGA，其芯片內部自帶了Flash ROM，可以存儲程序而不需要外接ROM，更加節(jié)省了成本和制板面積。

5、FPGA軟件易學易用
    FPGA軟件包中，有各種輸入工具、仿真工具、版圖設計工具、編程器等全線產品，電路設計人員在很短的時間內，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，設計者使用FPGA進行電路設計時，并不需要具備專門的集成電路深層次的知識，因為FPGA軟件易學易用。[nextpage]

DSP
DSP 的含義、結構與分類
    DSP（Digital Signal Processing）是數(shù)字信號處理器件，是一種獨特的微處理器，有自己的完整指令系統(tǒng)，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。一個數(shù)字信號處理器在一塊不大的芯片內包括有控制單元、運算單元、各種寄存器以及一定數(shù)量的存儲單元等，在其外圍還可以連接若干存儲器，并可以與一定數(shù)量的外部設備互相通信，有軟、硬件的全面功能，本身就是一個微型計算機。因此，它是一類專門為實現(xiàn)數(shù)字信號處理任務而設計的高性能的單片CPU。DSP采用的是哈佛設計，即數(shù)據(jù)總線和地址總線分開，使程序和數(shù)據(jù)分別存儲在兩個分開的空間，允許取指令和執(zhí)行指令完全重疊，也就是說在執(zhí)行上一條指令的同時就可取出下一條指令，并進行譯碼，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)空間之間進行傳輸，因為增加了器件的靈活性。

    DSP的工作原理是接收模擬信號，轉換為0或1的數(shù)字信號，再對數(shù)字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字數(shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或實際環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且它的實時運行速度可達每秒數(shù)以千萬條復雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。由于它運算能力很強，速度很快，體積很小，而且采用軟件編程具有高度的靈活性，因此為從事各種復雜的應用提供了一條有效途徑。

    DSP芯片，也稱數(shù)字信號處理器，是一種具有特殊結構的微處理器。DSP芯片的內部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結構，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP 指令，可以用來快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。因此，DSP芯片的基本結構如下。

1、哈佛結構
    哈佛結構的主要特點是將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是兩個相互獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址，獨立訪問。與兩個存儲器相對應的是系統(tǒng)中設置了程序總線和數(shù)據(jù)總線，從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍。由于程序和存儲器在兩個分開的空間中，因此取指和執(zhí)行能完全重疊。

2、流水線操作
    流水線與哈佛結構相關，DSP芯片廣泛采用流水線以減少指令執(zhí)行的時間，從而增強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。由于具有專用的應用乘法器，乘法可在一個指令周期內完成。

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，哈佛結構、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)化設計可使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行分類。 [nextpage]

1、按基礎特性分
    根據(jù)基礎特性，即DSP芯片的工作時鐘和指令類型來分類，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芯片在某時鐘頻率范圍內的任何頻率上能正常工作，除計算速度有變化外，沒有性能的下降的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的機器代碼機管腳結構相互兼容的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DSP芯片與浮點DSP芯片。即數(shù)據(jù)以定點格式工作的DSP芯片稱之為定點DSP芯片；以浮點格式工作的稱為浮點DSP芯片，但不同的浮點DSP芯片所采用的浮點格式不完全一樣，有的DSP芯片采用自定義的浮點格式，有的DSP芯片則采用IEEE的標準浮點格式。

3、按用途分
    按照DSP芯片的用途來分，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運算而設計的，更適合特殊的運算，如數(shù)字濾波，卷積和FFT等。

DSP的特點
    一般，根據(jù)數(shù)字信號處理的要求，DSP芯片本身具有的主要特點是：在一個指令周期內可完成一次乘法和一次加法；程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)；片內具有快速RAM，通?？赏ㄟ^獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問；具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉的硬件支持；快速的中斷處理和硬件I/O支持；具有在單周期內操作的多個硬件地址產生器；可以并行執(zhí)行多個操作；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。當然，與通用微處理器相比，DSP芯片的其他通用功能相對較弱些。

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

1、接口方便
    DSP系統(tǒng)與其它以現(xiàn)代數(shù)字技術為基礎的系統(tǒng)或設備都是相互兼容，這樣的系統(tǒng)接口以實現(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、開發(fā)自由度大，編程方便
    DSP支持多種個性化開發(fā)，用戶開發(fā)自由度大，可以滿足市場不斷提出的新的要求，在第一時間提升產品性能，增強產品的競爭能力。并且，DSP系統(tǒng)種的可編程DSP芯片，可使設計人員在開發(fā)過程中靈活方便地對軟件進行修改和升級。

3、處理能力強
    由于DSP芯片廣泛采用流水線以減少指令執(zhí)行的時間，從而增強了處理器的處理能力，因而可在一個DSP芯片上同時實現(xiàn)多路音視頻信號的壓縮處理，并可提供如視頻濾波、De-interlace處理、OSD等視頻專用功能。甚至像網絡接口、IDE接口都成為了視頻DSP的主要功能，使進一步大幅度降低產品成本成為可能。

4、穩(wěn)定性、可靠性高
    由于DSP系統(tǒng)以數(shù)字處理為基礎，因而受環(huán)境溫度以及噪聲等干擾的影響較小。因為數(shù)字處理容易做成大規(guī)模集成電路，各種參數(shù)均存儲在存儲器內，調節(jié)時采用數(shù)字設定、微機控制，可長時間保持不變，因而其穩(wěn)定性、可靠性高。

5、可重復性好，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)便于測試，調試和大規(guī)模生產，可重復性好。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、調節(jié)精確靈活，精度高
    因各種調節(jié)是通過數(shù)字設定，比用電位器調節(jié)準確而容易。如攝像機的參數(shù)均可以調節(jié)和設定，并可以達到16位數(shù)字系統(tǒng)達到的精度。（未完待續(xù)）