CN107479831A - 一种基于Zynq平台的OCT体数据搬运方法 - Google Patents

Abstract

一种基于Zynq平台的OCT体数据搬运方法，包括以下步骤：步骤1)在Zynq平台PL部分利用可编程逻辑单元构建数据传输通道，用于将外部传输进来的OCT体数据传入DDR；步骤2)在Zynq平台PS部分移植Linux操作系统，并修改U‑boot和设备树源码，使PS端DDR为400MB；步骤3)在PS端利用内存映射机制和Linux系统调用接口完成对PL端数据访问和搬运。本发明提供一种在Zynq平台上实现的、可运行操作系统的OCT体数据搬运方法。

Description

一种基于Zynq平台的OCT体数据搬运方法

技术领域

本发明涉及一种Zynq平台的应用技术，具体涉及Zynq平台PS(ProcessingSystem，处理系统)与PL(Programmable Logic，可编程逻辑)的OCT体数据搬运方法。

背景技术

Zynq平台是Xilinx公司推出的行业第一个可扩展处理平台，是一款将ARMCortex-A9处理器与低功耗可编程逻辑紧密集成在一起的全可编程片上系统(AllProgrammable SoC)，它将处理器的软件可编程能力及强大的控制能力与FPGA的硬件可编程能力完美结合，能够实现可扩展、可定制、优化系统的功能，其应用主要涉及视频监控、汽车驾驶员辅助以及工业自动化等需要高速处理与计算性能的高端嵌入式领域。

Zynq平台由PS与PL两部分组成，PS部分以ARM Cortex-A9处理器为核心，集成了内存控制器和大量的外设，提供了全面的操作系统支持。PL部分基于Xilinx 7系列FPGA架构，采用28nm技术，具有低功耗、小型化、信号处理能力强大等特点，提供了通用硬件可编程资源，可用于扩展子系统，具有丰富的扩展能力。Zynq将ARM Cortex-A9处理器与Xilinx 7系统FPGA相结合的设计方法带来了性能上的大幅度提高，因此Zynq平台受到了人们越来越多的关注，其应用也越来越广。

OCT(Optical Coherence Tomography，光学相干断层扫描技术)是近年来发展较快的一种新型层析成像技术，在生物组织活体检测和成像方面具有广泛前景。OCT技术利用近红外线和光学干涉原理对生物组织进行成像，可以实现对生物组织高分辨率的非侵入层析测量，可用于采集人体真皮层汗孔、指纹等信息，目前，OCT技术已经在医学、工业等领域获得越来越广泛的应用。而OCT成像对实时性具有较高要求，因此若要利用OCT技术进行相关开发工作则必须要有性能优越的处理器支持，传统的单个处理器如ARM、DSP或FPGA难以满足需要。Xilinx公司推出的Zynq平台由于集成了ARM Cortex-A9处理器与低功耗可编程逻辑，相比其他单处理器平台具有更高性能，完全可满足OCT相关应用的需求，因此Zynq平台与OCT技术相结合具有很大的应用前景。

在Zynq平台进行OCT技术的相关开发工作，不可避免的要涉及到PS与PL数据交互的问题，现有的PS与PL数据交互的方法多是基于PS端裸机ARM与PL进行交互而实现，而若不在ARM上运行操作系统，将难以发挥ARM芯片强大的控制与事务处理能力，从而不能最大程度发挥Zynq平台的优越性能。

发明内容

为了克服现有技术无法同时发挥Cortex-A9与可编程逻辑两种平台的优越性的不足，本发明提出了一种基于Zynq-7000平台，同时发挥Cortex-A9与可编程逻辑两种平台的优越性的由PL到PS的OCT体数据搬运的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于Zynq平台的OCT体数据搬运方法，包括以下步骤：

1)在PL端利用FIFO(First Input First Output，先进先出)存储器、DMA IP核以及AXI_HP接口等逻辑单元搭建FPGA硬件环境，以用于将采集的OCT体数据经PL传入共享内存；

2)在PS端ARM处理器移植Linux操作系统，在Linux系统中将DDR设置为共享内存；

3)PL端利用双缓冲方法将PL端数据传输到共享内存的PL一端，PS端利用内存映射机制搬运PL端数据到PS端DDR，并利用TCP/IP协议将数据传输到上位机，以此种方式完成PL端到PS之间的数据搬运。

进一步，所述步骤1)中，逻辑单元包括FIFO存储器、DMA IP核、AXI(AdvancedeXtensible Interface，高级扩展接口)互联接口、AXI_HP0和AXI_HP1接口，此部分设计具体包括以下过程：

在zynq平台PL端利用FIFO存储器、IP核DMA、AXI_HP0、AXI_HP1接口等逻辑单元搭建数据及信号传输通道，将数据和信号从FIFO写入，之后经DMA、AXI_HP等模块传输到共享DDR。

再进一步，所述步骤2)的处理过程如下：

移植Linux系统到ARM：制作BOOT.bin，生成设备树，移植Linux内核，制作Ramdisk文件系统。其中BOOT.bin包括第一阶段启动代码，比特流文件和第二阶段启动代码。制作BOOT.bin与生成设备树时，需要修改源码中设备树源码将DDR空间设置为400MB，以将另外剩余空间分给PL用作缓冲区，从而实现内存共享。

再进一步，所述步骤3)的处理过程如下：

步骤A：PL端在DDR中申请两个缓冲区1和2，两个缓冲区大小一致，并申请一块1KB内存用作信号位，PL利用信号位标识两个缓冲区状态，若信号位值为0x01则表示缓冲区1数据填满；若信号位值为0x02则表示缓冲区2数据填满。

步骤B：PS端Linux系统利用内存映射方法将PL端DDR中的缓冲区1、缓冲区2和信号位内存分别映射到用户进程空间，这样PS端便可访问PL端内存。映射成功之后，在Linux下通过应用程序检测信号位值的状态，从而确定哪块缓冲区数据已经填满，以此决定数据搬运对象。

步骤C：映射成功之后，Linux应用程序根据信号位值状态决定进入哪一块缓冲区搬运数据，之后利用write系统调用将其中数据写入套接字中，然后利用TCP/IP协议传输到上位机进行存储与处理。

Linux应用程序搬运数据时，利用write()系统调用将PL端缓冲区数据拷贝到socket套接字，在此之前上位机先运行TCP服务器程序，利用TCP/IP协议与下位机Linux应用程序建立连接，之后上位机程序接收下位机发送的数据，完成OCT体数据从PL经PS端Linux内核到上位机的搬运过程。

本发明的有益效果：

1)本发明采用的Zynq-7000是全球首款将高性能ARM Cortex-A9硬核与可编程逻辑集成在一起的芯片，利用FPGA采集OCT数据，利用ARM运行Linux操作系统及处理数据，可同时发挥Cortex-A9与可编程逻辑两种平台的优越性，使整个系统性能达到最优化。

2)本发明在PS运行Linux操作系统，利用DDR双缓冲的方法实现了对采集的OCT体数据在PL与PS间的高速搬运，且性能良好，较现有的纯裸机的数据交互方法更能发挥Zynq平台的优越性能，具有一定应用价值。

附图说明

图1为Zynq平台PS与PL之间OCT数据传输及搬运的整体结构图；

图2为PL端传入DDR体数据结构示意图；

图3为PS与PL利用双缓存方法进行OCT数据搬运的具体实现示意图；

图4为PS端利用内存映射机制对PL进行访问及搬运OCT数据的具体实现示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参照图1～图4，一种基于Zynq平台的OCT体数据搬运方法，Zynq平台包括FPGA和ARM处理器，包括如下步骤：

1)利用Xilinx开发工具vivado搭建OCT体数据传输通道

如图1所示，OCT体数据传输通道的搭建包括可编程逻辑单元与处理系统两部分，所述可编程逻辑单元包括FIFO存储器、DMA IP核、AXI互联结构及AXI_HP0、AXI_HP1通道。

所述处理系统为包含ARM Cortex-A9的ZYNQ7处理器系统，处理系统运行Linux操作系统，通过DDR与PL进行OCT体数据的搬运；

所述FIFO为AXI流接口的同步FIFO，数据总线宽度为16位，不足16位补齐为16位；

所述DMA为Xilinx提供的用于直接内存访问的软核，利用该软核可以在不需要处理器介入的情况下完成内存数据的搬进或者搬出；

所述AXI互联结构为用于主设备和从设备数据传输的IP核，其协议为AXI协议，AXI协议主要描述了主设备和从设备之间的数据传输方式，协议具有如下特点：总线的地址/控制和数据通道是可分离的；支持不对齐的数据传输方式；同时在突发传输中，只需要首地址；同时具有分离读/写数据通道。AXI协议提供了高速的系统内部互连通道，可以保证PL与PS通信的速度和质量；

所述AXI-HP0和AXI_HP1接口为PL连接到DDR的高带宽接口，其数据吞吐率最高可达1200MB/s。

所述OCT体数据如图2所示，OCT体数据为基于OCT技术的线阵CCD相机扫描人体手指所得，扫描深度为2mm，体数据包含了手指表皮层指纹、真皮层指纹、汗腺等组织的光强信息，可利用可视化等技术对其处理并成像。如图2所示，Y轴方向为相机扫描一次所得图像数据，包含2048个像素，每像素大小为16位；Z轴方向为相机横向扫描500次所得的一帧图像数据，大小为500×2048×16bit；X轴方向为相机连续扫描300次所得的一个体数据，大小为300×500×2048×16bit，即585MB。

2)在PS端移植Linux操作系统

移植Linux操作系统包括以下步骤：制作BOOT.bin，生成设备树，制作Linux内核，制作Ramdisk文件系统。其中BOOT.bin包括第一阶段启动代码，比特流文件和第二阶段启动代码。第一阶段启动代码和比特流需要借助Xilinx开发工具vivado和SDK完成，第一阶段启动代码中主要完成对PS端的初始化、加载第二阶段启动代码等工作；比特流文件完成对PL端的初始化，包括所搭建的数据传输通道；第二阶段启动代码主要作用为初始化CPU，并将操作系统加载到内存中。为了实现PS与PL共享DDR的机制，制作BOOT.bin与生成设备树时，需要修改源码中设备树源码将DDR空间设置为400MB，以将另外剩余空间分给PL用作缓冲区，从而实现内存共享。具体修改方法如下：

在BOOT.bin第二阶段启动代码源码arch/arm/dts/zynq-zed.dts路径下修改设备树源码，将源码中设置的内存空间大小：

reg＝<0x00000000 0x40000000>

改为400MB:

reg＝<0x00000000 0x19000000>

在生成设备树的内核源码arch/arm/dts/zynq-zed.dts路径下修改设备树源码，将源码中设置的内存空间修改为400MB，修改方法同上。

经过以上两步的修改便将DDR分成了两部分，一部分用于PS端运行操作系统，另一部分用于PL端用作数据缓冲区。

3)共享内存方法及双缓冲机制实现PS与PL数据交互

如附图1和3所示，PL通过应用程序在DDR中申请两个缓冲区1和2，两个缓冲区大小相等，皆为300MB，并申请一块1KB内存用作信号位。PL传输OCT体数据到DDR时，首先将300MB数据传输到缓冲区1，缓冲区1数据填满之后将信号经由DMA信号搬运模块及AXI互联结构、AXI_HP1接口写入信号位，信号值为0x01,之后等待PS端搬运缓冲区1中数据，同时PL将另外285MB体数据传输到缓冲区2，待缓冲区2数据填满之后再用同样方法将信号位值置为0x02，等待PS端搬运。

PS端Linux系统应用程序利用内存映射方法将PL端DDR中的缓冲区1、缓冲区2和信号位内存分别映射到用户进程空间，并记录各个内存区在用户空间的虚拟地址，这样PS端便可通过对虚拟地址的访问完成对PL端内存的访问。映射成功之后，在Linux下通过应用程序不断轮询PL端信号位数值的变化，若信号位值为0x01则进入缓冲区1搬运其中的300MBOCT体数据，若信号位值为0x02则进入缓冲区2搬运另外285MB体数据，以此种方法完成对PL端OCT体数据的搬运。

4)利用内存映射机制及TCP/IP协议搬运OCT体数据到上位机

此部分应用程序分两部分，一是运行在下位机的客户端程序，作用为搬运PL端DDR中的OCT体数据到socket套接字；一是运行在上位机Linux系统下的服务器程序，作用为接收下位机发送的数据，两者进行通讯前需先利用TCP/IP协议建立连接。

如附图4所示，Linux应用程序访问PL端DDR时，会先利用系统调用mmap()进行内存映射，映射成功之后，Linux系统便可访问PL端内存。系统应用程序通过不断检测信号位变化的方法判断PL端DDR两个缓冲区的状态，若检测到信号位值为1或2便进入相应缓冲区搬运其中的OCT体数据。

映射之后应用程序利用系统调用write()搬运PL端缓冲区OCT体数据到Linux下socket套接字中，此过程中会先将数据拷贝到Linux内核缓冲区，此时用户空间应用程序会和操作系统共享这个缓冲区，这样系统内核和用户空间就不需要进行任何的数据拷贝操作，这种方法相比于mmap()+memcpy()的方法效率可得到大幅度提高。

数据拷贝到内核缓冲区之后，接着会拷贝到socket缓冲区，之后从socket缓冲区拷贝到协议引擎，最后再将数据通过千兆网线上传到上位机进行存储与处理。经过以上步骤便完成了在运行Linux操作系统的PS与PL之间的OCT体数据的搬运工作。

Claims (4)

1.一种基于Zynq平台的OCT体数据搬运方法，其特征在于，所述Zynq平台包括FPGA和ARM处理器，包括以下步骤：

步骤1)在Zynq平台PL部分利用可编程逻辑单元构建数据传输通道，用于将外部传输进来的OCT体数据传入DDR；

步骤2)在Zynq平台PS部分移植Linux操作系统，并修改U-boot和设备树源码，使PS端DDR为400MB；

步骤3)在PS端利用内存映射机制和Linux系统调用接口完成对PL端数据访问和搬运。

2.根据权利要求1所述的一种基于Zynq平台的OCT体数据搬运方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述可编程逻辑单元包括FIFO存储器、DMA IP核、AXI互联结构、AXI_HP0及AXI_HP1接口，其中FIFO数据总线为16位，不足16位补齐为16位传输。

3.根据权利要求1或2所示的一种基于Zynq平台的OCT体数据搬运方法，其特征在于：所述步骤2)的处理过程为：

移植Linux4.4内核、制作Ramdisk文件系统；修改U-boot和设备树源码，将其中设置的DDR内存大小设为400MB，使DDR低地址部分用来运行操作系统与处理控制程序，高地址部分分给PL用来缓存数据，以此实现PS与PL共享内存目的。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于Zynq平台的OCT体数据搬运方法，其特征在于：所述步骤3)的处理过程为：

步骤A：PL端在DDR中申请两个缓冲区1和2，两个缓冲区大小一致，并申请一块1KB内存用作信号位，PL利用信号位标识两个缓冲区状态，若信号位值为0x01则表示缓冲区1数据填满；若信号位值为0x02则表示缓冲区2数据填满。

步骤B：PS端Linux系统利用内存映射方法将PL端DDR中的缓冲区1、缓冲区2和信号位内存分别映射到用户进程空间，这样PS端便可访问PL端内存。映射成功之后，在Linux下通过应用程序检测信号位值的状态，从而确定哪块缓冲区数据已经填满，以此决定数据搬运对象。

步骤C：映射成功之后，Linux应用程序根据信号位值状态决定进入哪一块缓冲区搬运数据，之后利用write系统调用将其中数据写入套接字中，然后利用TCP/IP协议传输到上位机进行存储与处理。