众所周知，网络视频监控系统必须智能化，而这些智能化功能，需各种智能软件算法来完成。为使这些软件算法嵌入到安防监控设备，必须要将它们固化到IC芯片中去实现，目前市场上最为合适而实用的芯片就是FPGA与DSP。本文介绍FPGA与DSP的含义、种类、原理与特点，两者性能比较及其在智能安防监控系统中的应用。由于篇幅较长，将以上、中、下三篇分别刊登。其中（上）篇主要介绍FPGA与DSP的含义、种类、原理和特点等内容。

FPGA
FPGA 的含义、配置模式与类型
    FPGA（Field Programmable Gate Array）是现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程逻辑器件的基础上进一步发展的产物，是专用集成电路（ASIC）中集成度最高的一种。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。用户可对FPGA内部的逻辑模块和I/O模块重新配置，以实现用户的逻辑。它还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，不仅解决了定制电路的不足，还克服了原有可编程逻辑器件门电路数有限的缺点。

    可以毫不夸张地讲，FPGA能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU，下至简单的74电路，都可以用FPGA来实现。FPGA如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统，通过软件仿真，可以事先验证设计的正确性。在PCB完成以后，还可以利用FPGA的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。使用FPGA来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可靠性。

    目前，FPGA的品种很多，有XILINX的 XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因而工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。FPGA的配置模式有如下几种。

1、并行主模式
    即一片FPGA加一片EPROM的方式。

2、主从模式
    可以支持一片PROM编程多片FPGA的方式。

3、串行模式
    可以采用串行PROM编程FPGA的方式。

4、外设模式
    可以将FPGA作为微处理器的外设，由微处理器编程FPGA的方式。

    根据FPGA基本结构的不同，一般有下列三种类型（前两种应用较多）。

1、基于乘积项（Product-Term）技术的FPGA
    该类FPGA主要由3个模块组成：一是逻辑单元阵列（Logic Cell Array），它是FPGA的基本结构，由它来实现基本的逻辑功能；二是可编程连线（PIA），它负责信号传送，连接所有的宏单元；三是I/O控制块，它负责输入/输出的电气特性控制，如可设定集电极开路输出、摆率控制、三态输出等。 [nextpage]

2、基于查找表（Look-Up-Table）技术的FPGA
    查找表简称LUT，这类FPGA是目前的一种主流产品，其本质就是一个RAM。目前，FPGA中多使用4输入的LUT，每一个LUT可看成一个有4位地址线的16×1的RAM。当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路后，FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并将结果事先写入RAM。这样，每输入一个信号进行逻辑运算，就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容输出即可。

3、基于反熔丝（Anti-fuse）技术的FPGA
    该类FPGA主要作特殊应用，它不能重复擦写，因而初期开发过程比较麻烦，费用也较昂贵。可它具有布线能力更强、系统速度更快、功耗更低、耐高低温、抗辐射能力强、可加密等许多优点，因而多应用于军事与航空航天等特殊要求的领域。

FPGA 的特点
    现在，FPGA可被称为可订制的特殊ASIC芯片，它除了具有ASIC的特点外，还具有以下几个特点：

1、能反复使用，灵活方便
    目前，大部分的FPGA，在使用时都需要外接一个EPROM保存其程序。加电时，FPGA芯片将EPROM中的数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态；掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因而FPGA能反复使用，即能反复地编程、擦除、使用，灵活方便。

2、不动外围电路，用不同的软件可实现不同的电路功能
    由于用户对FPGA能反复地编程、擦除、使用，因而可在不动外围电路的情况下，用不同的软件即可实现不同的功能。即用同一片FPGA，只需换一片EPROM，不同的编程数据，就可产生不同的电路功能。

3、可提高系统集成度与可靠性
    随着超大规模集成电路工艺的不断提高，单一芯片内部已可以容纳上百万个晶体管，从而使得FPGA芯片所能实现的功能越来越强，同时也可实现系统集成。同以往的PAL、GAL等相比，FPGA的规模比较大，它可替代几十甚至几千块通用的IC芯片，所以FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度与可靠性的最佳选择之一。

4、资金投入小，节省了许多潜在的花费
    通常，FPGA芯片在出厂前都做过百分之百的测试，因而无需设计者承担投片风险和费用，设计人员只需通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终功能设计即可。因此，使用FPGA的资金投入小，节省了许多潜在的花费。此外，若使用Actel公司的FPGA，其芯片内部自带了Flash ROM，可以存储程序而不需要外接ROM，更加节省了成本和制板面积。

5、FPGA软件易学易用
    FPGA软件包中，有各种输入工具、仿真工具、版图设计工具、编程器等全线产品，电路设计人员在很短的时间内，就可完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作。因此，设计者使用FPGA进行电路设计时，并不需要具备专门的集成电路深层次的知识，因为FPGA软件易学易用。[nextpage]

DSP
DSP 的含义、结构与分类
    DSP（Digital Signal Processing）是数字信号处理器件，是一种独特的微处理器，有自己的完整指令系统，是以数字信号来处理大量信息的器件。一个数字信号处理器在一块不大的芯片内包括有控制单元、运算单元、各种寄存器以及一定数量的存储单元等，在其外围还可以连接若干存储器，并可以与一定数量的外部设备互相通信，有软、硬件的全面功能，本身就是一个微型计算机。因此，它是一类专门为实现数字信号处理任务而设计的高性能的单片CPU。DSP采用的是哈佛设计，即数据总线和地址总线分开，使程序和数据分别存储在两个分开的空间，允许取指令和执行指令完全重叠，也就是说在执行上一条指令的同时就可取出下一条指令，并进行译码，这就大大的提高了微处理器的速度。此外，还允许在程序空间和数据空间之间进行传输，因为增加了器件的灵活性。

    DSP的工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且它的实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。由于它运算能力很强，速度很快，体积很小，而且采用软件编程具有高度的灵活性，因此为从事各种复杂的应用提供了一条有效途径。

    DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP 指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。因此，DSP芯片的基本结构如下。

1、哈佛结构
    哈佛结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。由于程序和存储器在两个分开的空间中，因此取指和执行能完全重叠。

2、流水线操作
    流水线与哈佛结构相关，DSP芯片广泛采用流水线以减少指令执行的时间，从而增强了处理器的处理能力。处理器可以并行处理二到四条指令，每条指令处于流水线的不同阶段。

3、专用的硬件乘法器
    专用的硬件乘法器的乘法速度越快，DSP处理器的性能越高。由于具有专用的应用乘法器，乘法可在一个指令周期内完成。

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，哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令、快速的指令周期等5部分，再加上集成电路的优化设计可使DSP芯片的指令周期在200ns以下。

    DSP的芯片有多种，可以按照以下的三种方式进行分类。 [nextpage]

1、按基础特性分
    根据基础特性，即DSP芯片的工作时钟和指令类型来分类，可分为静态DSP芯片与一致性的DSP芯片。静态DSP芯片是，如果DSP芯片在某时钟频率范围内的任何频率上能正常工作，除计算速度有变化外，没有性能的下降的DSP芯片；一致性的DSP芯片是， 如果有两种或两种以上的DSP芯片，它们的指令集和相应的机器代码机管脚结构相互兼容的DSP芯片。

2、按数据格式分
    根据DSP芯片工作的数据格式可分为定点DSP芯片与浮点DSP芯片。即数据以定点格式工作的DSP芯片称之为定点DSP芯片；以浮点格式工作的称为浮点DSP芯片，但不同的浮点DSP芯片所采用的浮点格式不完全一样，有的DSP芯片采用自定义的浮点格式，有的DSP芯片则采用IEEE的标准浮点格式。

3、按用途分
    按照DSP芯片的用途来分，可分为通用型DSP芯片和专用型DSP芯片。通用型DSP芯片适合普通的DSP应用，如TI公司的一系列DSP芯片。专用型DSP芯片是为特定的DSP运算而设计的，更适合特殊的运算，如数字滤波，卷积和FFT等。

DSP的特点
    一般，根据数字信号处理的要求，DSP芯片本身具有的主要特点是：在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；快速的中断处理和硬件I/O支持；具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；可以并行执行多个操作；支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。当然，与通用微处理器相比，DSP芯片的其他通用功能相对较弱些。

    由于DSP系统是以数字信号处理为基础，因此也具有数字处理的全部特点。

1、接口方便
    DSP系统与其它以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容，这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口要方便容易得多。

2、开发自由度大，编程方便
    DSP支持多种个性化开发，用户开发自由度大，可以满足市场不断提出的新的要求，在第一时间提升产品性能，增强产品的竞争能力。并且，DSP系统种的可编程DSP芯片，可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级。

3、处理能力强
    由于DSP芯片广泛采用流水线以减少指令执行的时间，从而增强了处理器的处理能力，因而可在一个DSP芯片上同时实现多路音视频信号的压缩处理，并可提供如视频滤波、De-interlace处理、OSD等视频专用功能。甚至像网络接口、IDE接口都成为了视频DSP的主要功能，使进一步大幅度降低产品成本成为可能。

4、稳定性、可靠性高
    由于DSP系统以数字处理为基础，因而受环境温度以及噪声等干扰的影响较小。因为数字处理容易做成大规模集成电路，各种参数均存储在存储器内，调节时采用数字设定、微机控制，可长时间保持不变，因而其稳定性、可靠性高。

5、可重复性好，集成方便
    模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大，而数字系统基本上不受影响，因此数字系统便于测试，调试和大规模生产，可重复性好。并且，由于DSP系统中的数字部件有高度的规范性，也方便于大规模集成。

6、调节精确灵活，精度高
    因各种调节是通过数字设定，比用电位器调节准确而容易。如摄像机的参数均可以调节和设定，并可以达到16位数字系统达到的精度。（未完待续）