實(shí)時(shí)系統(tǒng)一般都不是通用的，往往是針對(duì)具體的任務(wù)而設(shè)計(jì)的。軟件編程的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)調(diào)試靈活。無(wú)論多復(fù)雜的任務(wù)，只要給出算法，我們一定能夠通過(guò)軟件編程的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且調(diào)試、修改都容易得多。缺點(diǎn)是執(zhí)行指令的效率不高，單CPU只能串行地執(zhí)行指令(多CPU方案確實(shí)是克服這一缺點(diǎn)的有效辦法，但是大大增加了軟硬件的復(fù)雜度)。對(duì)于一項(xiàng)任務(wù)，軟件都要將它不斷分解，最終變成CPU可執(zhí)行的機(jī)器語(yǔ)言，這種化整為零的指令方式正是軟件的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也成了它的缺點(diǎn)。執(zhí)行一條指令一般需取指令、解碼、取操作數(shù)、執(zhí)行四步。雖然CPU內(nèi)部有了cache，實(shí)行流水指令操作，但是如果語(yǔ)句中有大量的跳轉(zhuǎn)語(yǔ)句，就會(huì)使流水線頻繁中斷，并且使cache的命中率降低。專用硬件的特點(diǎn)是速度快，便于進(jìn)行并行性設(shè)計(jì)，是滿足實(shí)時(shí)性要求最好的方法。其缺點(diǎn)在于設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，調(diào)試修改不容易，受到可用器件的實(shí)際限制，復(fù)雜的算法難以完全用硬件來(lái)完成。從以上的分析中，我們看到軟硬件設(shè)計(jì)有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，能否將軟硬件各自的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)呢？FPGA出現(xiàn)后，由于它設(shè)計(jì)輸入方式靈活，設(shè)計(jì)周期短，片內(nèi)資源豐富，可無(wú)限次加載等特點(diǎn)，很適合對(duì)具體的任務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。我們可以用它來(lái)發(fā)揮硬件速度快的特點(diǎn)完成低層的、大量重復(fù)使用的任務(wù)。而處理器在上層實(shí)時(shí)調(diào)用FPGA。FPGA就象一個(gè)硬件函數(shù)，這種結(jié)構(gòu)既可以發(fā)揮硬件的高速性，又利用了軟件的靈活性。兩者的結(jié)合可以極大地提高整體處理速度，而且開(kāi)發(fā)周期短，修改方便。
　　下面以圖像處理中的直線提取算法的實(shí)現(xiàn)為例，來(lái)說(shuō)明FPGA作為協(xié)處理器在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的應(yīng)用。
1 相位編組算法實(shí)現(xiàn)直線提取
1.1 相位編組算法實(shí)現(xiàn)直線提取的原理
　　直線提取就是將圖像中明暗變化的邊緣以輪廓線或邊界線的形式提取出來(lái)。相位編組算法是直線提取中比較有效的一種。其算法框圖如圖1。

　　一幀圖像的象素逐行輸入，計(jì)算梯度方向角是先對(duì)圖像的每個(gè)像素求x方向上的差分Dx和y方向上的差分Dy。arctg(Dy/Dx)是該點(diǎn)梯度的正切值。梯度方向代表了該點(diǎn)周圍明暗變化最劇烈的方向。接下來(lái)得到該點(diǎn)梯度的方向角θ和梯度的幅度M。
　　Dx＝p[x－2,y+1]+p[x－1,y+1]×2+p[x,y+1]－p[x－2,y－1]－p[x－1,y－1]×2－p[x,y－1]
　　Dy＝p[x,y－1]+p[x,y]×2+p[x.y+1]－p[x－2,y－1]－p[x－2,y]×2－p[x－2,y+1]
　　θ＝arctg(Dy/Dx)
　　M＝Dx+Dy
　　相位編組是將所有具有相同或相近方向角且?guī)缀挝恢眠B通(8連通或4連通)的點(diǎn)歸為一個(gè)點(diǎn)集，該集合就是直線的點(diǎn)集。實(shí)際上，圖像中大部分的點(diǎn)周圍明暗變化很小，我們只對(duì)M值大于一個(gè)給定的閥值Threshold的點(diǎn)進(jìn)行編組。為了減少下一步處理的數(shù)據(jù)量，我們把滿足M大于閥值的點(diǎn)寫(xiě)成水平跑碼的形式，即把水平位置相鄰且方向值θ相同的點(diǎn)編為一個(gè)跑碼。然后每一行的跑碼與上一行的跑碼進(jìn)行比較，幾何位置連通且方向值相近的跑碼歸為一類。這樣，就得到整個(gè)圖像中的所有直線的點(diǎn)集合了。
　　得到直線的點(diǎn)集后，用最小二乘法對(duì)每個(gè)點(diǎn)集擬合出直線。
1.2 系統(tǒng)的軟硬件劃分
　　系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)算法的前提下對(duì)實(shí)時(shí)性有較為苛刻的要求，圖像大小為512×512，圖像數(shù)據(jù)的傳輸速率為5MByte/s，兩幀的間隔為0.6秒，要求系統(tǒng)提取直線的時(shí)間不得超過(guò)0.5秒。分析上面的框圖，要做的處理非常多，包括對(duì)圖像進(jìn)行求差、求和運(yùn)算、二維梯度場(chǎng)計(jì)算、相位編組、直線擬合等不同層次不同類別的處理和計(jì)算，如果完全由軟件做，為了達(dá)到所要求的實(shí)時(shí)性，CPU的主頻至少要250MHz以上，現(xiàn)有的高速DSP難以勝任。所以，必須考慮一部分任務(wù)由專用硬件來(lái)完成。經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的論證，最后系統(tǒng)采用了圖2所示的結(jié)構(gòu)。

　　FPGA1和FPGA2選用XILINX公司的XC5210，DSP選用內(nèi)部主頻為20MHz的TMS320C40。求梯度、求反正切及編碼等步驟屬于像素級(jí)的處理，處理比較規(guī)則，而且隨著像素的流水輸入，一直到編碼完成，沒(méi)有中間數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)，可由前級(jí)FPGA1完成。其中求反正切可用查表法，查表的數(shù)據(jù)放在與FPGA1相連的RAM中。跑碼的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：
　　typedef struct tagRUNCODE{
　　int x0;
　　int len;
　　unsigned char orientation;
　　}RUNCODE;
　　其中x0代表初始點(diǎn)的X坐標(biāo)， len代表跑碼長(zhǎng)度，orientation代表跑碼的方向值。剩下的就是相位編組和直線擬合了。直線擬合主要是浮點(diǎn)運(yùn)算，交給DSP完成比較合適。難度在于相位編組。相位編組約占直線提取整個(gè)工作量的70%，操作復(fù)雜，屬于全局性的處理，涉及到對(duì)RAM的管理及訪問(wèn)，該部分無(wú)法由硬件獨(dú)立完成。我們必須對(duì)這一部分進(jìn)行軟硬件的分割，讓FPGA以協(xié)處理器的方式加快這部分的處理速度?，F(xiàn)以表1所示跑碼數(shù)據(jù)為例說(shuō)明相位編組的過(guò)程，其中Ai代表當(dāng)前行的第i個(gè)跑碼，Bj代表上一行的第j個(gè)跑碼，圖3是跑碼數(shù)據(jù)的位置示意圖。

　　先從A₁開(kāi)始，拿它與上一行的各個(gè)跑碼比，A₁與B₁位置連通，且方向值也相同，所以A₁與B₁連通。將A₁的點(diǎn)放入B₁所屬的點(diǎn)集中。A₁再與B₂比，位置不連通，A₁與B₂不連通。由于B₂在A₂的后面，所以B₂以后的跑碼一定不會(huì)與A₁連通，不用再比較了。我們稱B₂相對(duì)于A₁越界。由此類推，A₂與B₁不連通，與B₂連通，B₃相對(duì)于A₂越界。將A₂的點(diǎn)放入B₂所屬的點(diǎn)集中。A₃從B₃前一個(gè)跑碼開(kāi)始比(這樣可以省去與B₂前面的跑碼比較)，A₃與B₂不連通，與B₃也不連通。這樣，一行比較完畢。將當(dāng)前行上移，掃描下一行。一幀下來(lái)，就可以將所有直線的點(diǎn)集得到。相位編組的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要對(duì)內(nèi)存進(jìn)行復(fù)雜的操作。顯然FPGA無(wú)法獨(dú)立完成，如果把它交給DSP去做，其中判斷Ai與Bj是否連通要經(jīng)常使用，是相位編組中相對(duì)簡(jiǎn)單但大量重復(fù)使用的部分，可以寫(xiě)成如下函數(shù)：
　　int Is_Connect(RUNCODE runcodel,RUNCODE runcode2)
　　/*判決 位置連通性和梯度方向連通性/*
　　/* RETURN:255－－連通0－－不連通1－－已經(jīng)越界(runcodel.x0+runcodel.len－runcode2.x0)＜0*/
　　{
　　if(runcode 1.x0＜＝runcode2.x0)
　　{ if((runcodel.x0+runcodel.len－runcode2.x0)＞0)
　　{ if(abs(runcodel.orientation－runcode2.orientation)＜Threshold)
　　return 255;
　　}
　　else
　　{ return 1;
　　 }
　　}
　　else
　　{ if(runcode2.x0+runcode1.len－runcode1.0x)＞0)
　　if(abs(runcode1.orientation－runcode2.orientation)＜Threshold)
　　return 255;
　　}
　　return 0;
　　}
　　可以看出，函數(shù)中主要的操作是判斷語(yǔ)句，判斷語(yǔ)句內(nèi)部的操作卻不多。也就是說(shuō)，在該函數(shù)中，DSP相當(dāng)一部分時(shí)間里都在作判斷。判斷語(yǔ)句在匯編中對(duì)應(yīng)的是條件跳轉(zhuǎn)語(yǔ)句，這種頻繁的跳轉(zhuǎn)語(yǔ)句會(huì)使DSP內(nèi)部的指令流水線中斷，使cache命中率大為降低。實(shí)驗(yàn)表明，用DSP編程執(zhí)行這段代碼不能滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的需要。硬件電路完成條件跳轉(zhuǎn)指令只需要比較器和二選一開(kāi)關(guān)即可，而且硬件電路實(shí)現(xiàn)多重判斷和單一判斷的速度是一樣的。因此，硬件電路實(shí)現(xiàn)該函數(shù)不僅比較容易，而且執(zhí)行速度只需一個(gè)時(shí)鐘周期。于是我們用FPGA2實(shí)現(xiàn)此函數(shù)，讓DSP來(lái)調(diào)用它，并取得了較理想的效果。
2 對(duì)FPGA用于協(xié)處理器的幾點(diǎn)探討
　　通過(guò)以上實(shí)例我們可以探討一下FPGA用于協(xié)處理器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)原則。
2.1 FPGA作為協(xié)處理器所需的結(jié)構(gòu)
　　硬件要完成某種應(yīng)用方式，必須依賴于相應(yīng)的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。FPGA在數(shù)字信號(hào)處理設(shè)計(jì)中最典型的應(yīng)用有兩種：一種是作為整個(gè)數(shù)據(jù)處理流程中的一個(gè)“結(jié)點(diǎn)”，數(shù)據(jù)沿著線狀結(jié)構(gòu)被不斷加工處理，F(xiàn)PGA在這里作為處理單元，獨(dú)立地完成算法中的某些功能。如圖4。
　　圖中的PE一般為DSP或單片機(jī)。上例中的前級(jí)FPGA1就是作為處理單元來(lái)應(yīng)用的。另一種是作為協(xié)處理器，如圖5。