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基于FPGA的PCI图像传输与处理卡设计及实现
摘要
本文介绍了一种基于FPGA的PCI图像传输与处理卡的设计与实现。该卡可连接计算机主机通过PCI总线进行数据传输，通过FPGA进行图像处理并将处理后的图像数据返回给计算机主机。我们采用了高速ADC和DAC芯片作为图像数据的输入与输出接口，同时使用了DDR3存储器作为图像数据的存储器。本文详细介绍了该卡的硬件设计、软件编程和性能测试结果，证明该卡具有较高的传输速率和图像处理能力，可以满足大规模图像处理需求。
关键词：FPGA，PCI总线，图像传输，图像处理，性能测试。
1.引言
随着计算机图像处理技术的不断发展，图像处理应用范围不断扩大。很多图像处理应用需要进行大规模的数据处理，因此需要高速的数据传输和处理能力。现有的图像处理卡一般采用专用的数字信号处理器（DSP）或者图形处理器（GPU）进行图像处理，但是这些卡片无法满足一些特定需求，例如实时性要求高、定制化需求大等等。在此背景下，基于FPGA的图像处理卡逐渐成为一种比GPU、DSP更加灵活、高性能的选择。
本文提出了一种基于FPGA的PCI图像传输与处理卡，用于满足大规模图像处理需求。该卡可以连接计算机主机，通过PCI总线进行数据传输，实现图像处理的需求。我们采用了高速ADC和DAC芯片作为图像数据的输入与输出接口，同时使用了DDR3存储器作为图像数据的存储器，具有高速、可靠的特点。
2.硬件设计
该卡的硬件设计主要分为四个部分：PCI总线接口、ADC接口、FPGA、DAC接口。其中PCI总线接口采用了PCIexilinxIP核实现，可以支持PCIe2.0x4带宽，实现高速数据传输。ADC接口使用的是高速ADC芯片，FPGA处理后的图像数据通过DAC芯片输出。
在FPGA设计中，用户可以通过FPGA的逻辑模块进行图像处理，同时可以使用嵌入式处理器对图像进行处理。为了提高图像数据的传输速率，我们采用了DDR3存储器作为图像数据的存储器。
图1显示了PCI图像传输与处理卡的硬件架构。
图1：PCI图像传输与处理卡的硬件架构
3.软件编程
该卡的软件主要分为两个部分：PCI总线驱动程序和图像处理程序。
PCI总线驱动程序负责与计算机主机进行通信，实现数据传输和控制功能。PCI总线驱动程序是基于XilinxPCI通信IP核实现的，我们参照该IP核代码进行编写，实现了一套稳定可靠的PCI总线驱动程序。
图像处理程序是主要的应用程序，它通过读取PCI传输的图像数据进行图像处理，并将处理后的图像数据输出到DAC接口。在图像处理程序中，我们使用了VHDL语言进行FPGA逻辑设计和实现，实现了图像处理功能。图像处理程序采用了多线程技术，同时卡片上有足够的存储空间用于存储图像数据。
4.性能测试
为了评估该卡的性能，我们进行了一系列的性能测试。我们通过Velocis测试工具测试了该卡的传输速率，得到了每秒传输速率达到600MB/s的结果，这超过了PCIe2.0x4的带宽限制，证明该卡的传输速率很高。
我们使用了实际图像进行测试，对不同类型的图像进行了不同的处理，例如：颜色矩阵变换、噪声滤波、边缘检测等等，测试结果显示该卡的图像处理能力非常强，而且能够满足大规模图像处理需求。
5.结论
本文介绍了一种基于FPGA的PCI图像传输与处理卡的设计与实现。该卡可以连接计算机主机，通过PCI总线进行数据传输，通过FPGA进行图像处理并将处理后的图像数据返回给计算机主机。该卡具有较高的传输速率和图像处理能力，能够满足大规模图像处理需求。