intevac是商用和軍用市場光學產品的前沿開發商。本文介紹該公司nightvista嵌入式電子系統的開發，該產品是高性能超低亮度緊湊型攝像機。該攝像機最初采用了流行的數字信號處理器、幾個assp和外部存儲器件。系統對性能的需求越來越高，工程師團隊決定試驗一種替代方案——在可編程邏輯中實現可配置軟核處理器。這一決定帶來了以下好處：
　　達到了目標所要求的性能
　　在單個fpga中集成了分立的元件和數字信號處理（dsp）功能
　　功耗降低了近80%
　　將五塊元件板縮減到一塊，顯著降低了成本
　　縮短了開發時間
　　dsp基于處理器的實現方法
　　nightvista電子系統的部分功能包括：
　　攝像機上電測試和初始化
　　視頻傳感校準和表征
　　圖像增強管理的自動增益控制
　　圖形、文本和水印屏顯示功能
　　實時自適應對比度調整
　　gamma校正、視頻停幀捕獲，并存儲至閃存
　　實時時鐘
　　用戶定義的可編程預置配置
　　通過rs-232與主機pc進行通信
　　攝像機功能和參數遠程更新，攝像機至主機pc視頻數據傳送
　　intevac開發nightvista電子產品的最初方法是采用數字信號處理器。除了處理器之外，還需要其他幾個主要部件，包括ntsc視頻編碼器、一個rs-232接口、多個鎖相環（pll）、實現各種邏輯功能的cpld，以及幾個存儲器（fifo、sdram和閃存）。此外，這些部件需要四個不同的工作電壓（需要四個電源穩壓器和不同的pcb板層），四個獨立的時鐘系統，以及各自的振蕩器和電源去耦電路。總體上，這些部件占用了五塊pcb，每一塊電路板大約兩平方英寸，堆疊在該攝像機兩英寸見方的外殼中。
　　硬件開發了幾個月之后，大家清楚的認識到該解決方案難以達到intevac為nightvista設定的性能目標，重量和功耗令人難以接受。而且，由于高密度堆疊的pcb功耗很大，帶來了明顯的熱管理問題。intevac決定中斷基于數字信號處理器的設計，轉而采用基于fpga的混合邏輯和軟核微處理器方案。intevac并沒有使用集成微處理器可編程邏輯的經驗，但是一個使用altera演示板的評估方案很有吸引力，其最新的低成本fpga能夠將一個完整的32位risc處理器和存儲器模塊、pll以及大量的邏輯資源集成到一起，實現專用視頻信號處理功能。在fpga中集成pll可以解決與電路板級多時鐘系統相關的大量問題。
　　工程師團隊考慮了多種因素，包括：
　　多種fpga系列的性能和特性
　　提供知識產權（ip）內核
　　多個供應商的器件集成技術和業務能力
　　提供成熟的硬件和軟件開發工具
　　供應商支持資源的可靠性
　　分析了以上因素后，公司決定購買在altera cyclone fpga中實現altera nios處理器的解決方案。fpga的功能如圖1所示。
　　
　　圖1 intevac nightvista攝像機中cyclone系列fpga功能框圖
　　設計轉換
　　決定使用altera的解決方案后，intevac必須確定現有的dsp軟件在多大程度上能夠導入到nios處理器中。公司已經投入了18個月的人工付出進行前面的數字信號處理器軟件開發，團隊現在面臨的問題是將圖像數據通過處理器傳送至輸出，并沒有進行視頻處理。fpga攝像機中的nios處理器具有不同的特性，只能通過rs-232串行通信協議與主機pc和視頻傳感器進行通信。幸運的是，nios處理器的軟件開發直觀明了，通過使用nios開發板，intevac在幾個小時之內便建立了處理器和主機pc之間的通信。
　　新的fpga電路板在一個月內完成，在這段時期內，intevac繼續采用nios處理器開發板編寫、調試軟件代碼。intevac最初計劃采用數字信號處理器的實時操作系統（rtos）來管理復雜的視頻處理算法時序。由于nios處理器并不包括現成的rtos，軟件小組并不能確定是否能夠達到所有的時序要求。與硬件小組討論后，軟件小組很快發現nios處理器的配置功能可以很好的控制信號時序，一般只需要對fpga設計稍做改動便能夠達到目標時序要求。同一fpga環境下硬件和固件處理具有高度集成特性，能夠迅速簡單的實現最佳控制和視頻處理任務。
　　fpga方案實現了定制化，提升了性能
　　進一步的深入研究后，intevac開始開發定制功能和外設，以貼近自己的需求。一旦在軟件中碰到瓶頸，硬件小組便開發一個處理器來提高性能，一般在一個小時內就可以做到這一點。硬件小組設計了一個定制視頻編碼器、用于緩沖視頻數據的fifo模塊，以及專用dma控制器為編碼器提供穩定的視頻數據流，避免了使用外部編碼器和fifo緩沖。此外，構建了一個定制sdram控制器，使所有的視頻、屬性、nios處理器命令讀取和數據存儲都可以使用同一存儲器，從而提高了性能。某些功能需要自己的時鐘，因此，采用了fpga的板上pll，從一個主時鐘中產生三個不同的時鐘：第一個用于視頻編碼器，第二個用于sdram時序，第三個用于外部象素傳感器。
　　通過集成提高了性能
　　在實現了以前所用外部器件的功能以后，intevac還增加了最初dsp處理器無法實現的功能。加入了視頻測試模式生成器來仿真攝像機的工作，使軟件小組能夠完成各種視頻處理算法，使系統能夠協調工作。加入的另一功能是統計生成器，用于分析視頻數據的特性，以便進行圖像增強和亮度處理。圖像統計生成器需要的數學運算如果在軟件中實現，那么速度很慢。intevac使用了fpga中的邏輯資源來實現該功能，設置完成后，將結果傳送給處理器。
　　電路板制好后，在幾個小時內便完成了開發板軟件代碼傳送、代碼設置，并在新板上運行。后面的幾個月中，intevac在進行硬件和軟件開發的同時，進一步調試、優化了設計。