实时计算平台设计方案：911-基于6U VPX的光纤图像DSP实时计算平台

一、系统组成

图 1：系统背板互联示意图

备注：上图槽5板卡为太速自研的图像接口板，作为预留板卡，并不包含在系统组成中。

二、计算机主板

2.1.概述：

      计算机主板选用6U VPX i7 刀片计算机，该产品是一款基于第三代Intel i7双核四线程（或四核八线程）的高性能6U VPX刀片式计算机。产品提供了可支持全网状交换的高速数据通道，其中P1，P2各支持4个PCIe x4 Gen3总线接口。该产品具有很强的扩展性，可以很好满足多负载多节点的应用需求。

图 2：6U VPX i7 刀片计算机

三、6U VPX存储板

      存储板选用6U VPX 的mSATA高性能数据存储板。

3.1.产品特性：

 ● 存储容量4TB

 ● 读写方式RAID0 ,读写速率2GB/s

 ● 四路x4 SRIO@5Gbps/Lane

 ● 两路 x4 PCIe@5Gbps/Lane

 ● 板载4GB DDR3 SDRAM

 ● 板载 2颗 128MB NorFlash

 ● 两路1000Base-T接口

图 3：存储板原理框图

3.2.产品规格：

四、图像信号处理板

4.1.概述：

      图像信号处理板选用6U VPX的双TMS320C6678+Xilinx FPGA K7 XC7K420T的图像信号处理板。

      图像信号处理板包括2片TI 多核DSP处理器-TMS320C6678，1片Xilinx FPGA XC7K420T-1FFG1156，1片Xilinx FPGA XC3S200AN。实现四路千兆以太网输出，两路422输出。通过FPGA的GTX ,LVDS实现高速背板互联。采用6U VPX架构。芯片满足工业级要求，板卡满足抗震要求。

图 5：图像信号处理板原理框图

4.2.技术指标：

● 支持2个TMS320C6678芯片，每片DSP外挂DDR3，256M x 64bit容量； Nor Flash 16M x16bit容量；4路以太网接口，DSP之间通过HyperLink x4 互联，支持4 x 3.125Gbps带宽。

● DSP与K7直接通过RapidIO x4模式互联，支持4 x 3.125 Gbp速度。

● DSP 与K7 通过I2C，SPI，Uart,GPIO接口互联。

● DSP调试为普通JTAG口，FPGA-K7为BPI模式。

● 板卡要求工业级芯片。结构满足抗震要求。

● 板卡采用双电源供电，12V 6A，5V 1A。

4.3.接口互联设计：

● 两片6678通过 Hyperlink x4 @3.125Gbps /per Lane 互联。

● 每片6678的SGMII-0通过PHY芯片，连接至排针。

● 每片6678的SGMII-1通过PHY芯片，连接到VPX-P4。

● 每片6678的PCIe x2 连接至VPX-P3。

● 每片6678和K7通过 SRIO x4 @ 3.125G bps /per Lnae互联。

● 每片6678和K7实现GPIO，SPI，I2C，UART互联。

● 每片6678 和CFPGA 实现GPIO，SPI互联。

● K7和CFPGA实现GPIO互联。

● K7的 GTX x20 分别连接至 VPX的P1，P2，P3接口。

● K7的LVDS x10 连接至VPX-P5。

● K7 输出两组422信号连接至VPX-P4。

4.4.物理特性：

● 尺寸：6U VPX板卡，大小为160X233.35mm

● 工作温度：-40℃～ +85℃

● 工作湿度：10%～80%

五、图像信号处理板后板：

图 6：图像信号处理板后板布局图

六、软件设计内容

6.1软件流程说明

图1-3 图像处理平台原理框图

CameraLink相机转光纤传输（A点）：

 ● 传输图像格式为2种，5120X384X200fsX8bit黑白（3.15Gbps），5120X3840X25fsX8bit（3.94Gbps）黑白，单路图像最大带宽约为4Gbps，所需高速接口有效带宽至少5Gbps；

 ● 单路光纤Aurora64B66B x1最大速率6.25Gbps，有效带宽为6.06Gbps。

 ● 信号处理板卡板带宽（B、C、E点）： 

 ● 信号处理板卡FPGA到DSP RapidIO带宽（B点），Kintex7 FPGA RapidIO 到DSP的传输带宽4 x 3.125Gbps x 50% = 6.25Gbps；

信号处理板卡到存储磁盘阵列的带宽（C点），信号处理板卡和存储磁盘阵列通过SIRO 实现数据传输；每个板卡2组RapidIO，每组传输带宽4 x 3.125Gbps x 50% = 6.25Gbps/s；

 ● FPGA到计算机板PCIe传输带宽（E点），Kintex7 FPGA需要把2路视频抽取传输给计算机板显示，通过PCIe 2.0X4，理论带宽5GbpsX4=20G，有效带宽不低1250MB/s。

 ● FPGA到内存的带宽，FPGA外挂两组DDR3，每组容量512MB；每组DDR3读写带宽800M x 32 /8 x 80%（读写效率）= 1600MB/s；

 ● DSP到内存的带宽，每片DSP外挂1GB的DDR3；每片DDR3读写带宽1333M x 64 /8 x 50%（读写效率）= 5332MB/s。

存储板存储带宽（D点）：

 ● 存储板包含8片mSATA（4TB），构成一个Radi0模式，最大存储速度是2.4GB/s。

计算机板和存储磁盘阵列传输带宽（F点）：

 ● 计算机板和存储磁盘阵列实现PCIe x4 互联，进行图像数据导出；计算机板和存储磁盘阵列传输带宽通过PCIe接口 2.0X4，理论带宽5GbpsX4，有效带宽不低1250MB/s。

6.2存储卡mSATA数据的采集回放

6.3PCIe影像显示软件

程序版本：pcie_pic_show_win7_x64

开发环境：VS2010

操作系统：Windows 7-64bit

图像处理库：OpenCV-2.3.1

驱动软件：WinDriver (win7-64bit版本)

软件路径：...\pcie_pic_show_win7_x64\x64\Debug\ test_pci.exe

      影像采集显示软件，通过PCIe接口控制存储卡发起或者结束DMA操作，计算对应影像帧频，显示传输状态，提供上位机软件函数，将图像显示到指定区域。

此处影像采集数据为连续8bit灰度图像数据，上位机软件可启动、停止或者将数据存文件于磁盘E（路径可在程序更改）。