طراحی و ساخت سیستم پردازش موازی بااستفاده از fpga

پردازش سریع اطلاعات از دیر باز مورد نظر بوده و سعی شده است با ارائه سخت افزار ها و الگوریتمهای مناسب و روشهای برنامه نویسی خاص از جمله پردازش موازی تا اندازه ای به این مهم نائل آیند و با توجه به نیاز هر روز آنرا توسعه دهند. یکی از سخت افزارهایی که جدیداً با پیشرفت تکنولوژی استفاده عملی پیدا کرده اند fpga ها هستند. اکنون با کمک یک یا چندfpga به همراه قطعات جانبی سخت افزار هایی ارائه می گردد که قادرند الگوریتمهایی با بار محاسباتی بالا را اجرا کنند. برای پیاده سازی این الگوریتم ها، بایستی آنها را بصورت موازی تبدیل و با پیکر بندی ساختار درونی fpga چندین پردازنده ساده طراحی و مسئله را بصورت موازی حل کنند. یکی از این مسائل پردازش بلادرنگ سیگنالهای تصویر و ویدئو است که شامل پیاده سازی الگوریتمهای پردازش تصویر می باشد. تکنیکهای طراحی سخت افزار مانند موازی کردن (parallelism) و خط لوله (pipeline) می تواند بر روی fpga توسعه یابند که در یک طرح اختصاصی dsp ممکن نیست. بنابر این fpga ها انتخاب ایده آلی برای پیاده سازی الگوریتم های پردازش تصویر بلادرنگ می باشند. پیاده سازی الگوریتم ها و روشهای بررسی شده در مقالات سالهای اخیر بر روی این پردازنده ها، قابلیت پردازش موازی و استفاده زیاد این تراشه ها در سیستمهای پردازش بلادرنگ (پردازش تصویر و ویدئو، پردازش سیگنالهای رادار، روترهای اینترنت و ...) را نشان می دهند. بعنوان مثال در مراکزی مانند شبکه های رادیویی و تلویزیونی، برنامه های صوتی و تصویری بصورت دائم در حال پخش هستند. در این مراکز نیاز به سیستم های جانبی داریم که عملکرد سیستم ها را از لحاظ فنی بررسی کرده و بصورت گزارش دراختیار کادر فنی قرار دهند. در این عمل صحت و سرعت پردازش محاسبات از اهمیت بسیار ویژه ای برخوردار است. بررسی های محقق حاکی از آن است که در اکثر این سیستم ها از پردازنده های fpga بعنوان یکی از مهمترین هسته های پردازشگر سیستم استفاده می شود. در این پایان نامه پس از طراحی سخت افزار، اقدام به ساخت آن نموده سپس روی نحوه پیاده سازی الگوریتم تشخیص لبه به عنوان یک موضوع مورد مطالعه و ارزیابی عملکرد سیستم متمرکز می شویم. در واقع در این طرح به دنبال طراحی یک سخت افزار با هسته اصلی fpga می باشیم. در کنار آن استفاده از تراشه ها و قطعات دیگر، برای ارتباط با دنیای بیرون از برد نیز مد نظر قرار گرفته شده است. از جمله اهداف پروژه طراحی و ساخت یک برد سخت افزاری با قابلیت بالا، تست سخت افزار و نشان دادن قابلیت آن با پیاده سازی یک الگوریتم لبه یابی، مقایسه میزان کارآیی سیستم با یک pc وتهیه الگوریتمی مناسب جهت تشخیص لبه می باشد. ملاحظات طراحی سیستمهای میکروپروسسوری، طراحی شماتیک و مدار چاپی سخت افزار از جمله مطالب اصلی مطرح شده طرح می باشد. روند کلی طرح پیاده سازی شده بدین گونه است که یک تصویر نمونه توسط نرم افزار matlab خوانده شده و با برقراری ارتباط با پورت سریال مد نظر، اطلاعات را با نرخ معینی و بصورت آسنکرون برای برد ارسال می شود. میکروکنترلر با دریافت داده ها و بصورت بایت به بایت، آنها را در بافری ذخیره می نماید. پس از تکمیل دریافت، میکروکنترلر آنها را برای پردازش در اختیار fpga قرار می دهد. fpga پس از دریافت کامل داده ها و پردازش بر روی آنها، نتیجه را در اختیار میکروکنترلر قرار داده و آن نیز داده های دریافت شده را در بافری دیگری ذخیره نموده و برای ارسال به کامپیوتر و نمایش آماده می نماید. کلمات کلیدی: طراحی سخت افزار، پردازش سیگنال، قطعات برنامه پذیر،fpga،پردازش موازی