최근 비디오 시스템 설계에서는 까다로운 차세대 비디오 압축 표준들이 널리 채택되면서 독립형 DSP 성능을 능가하는 보다 복잡한 통합 프로세싱 솔루션에 대한 요구가 높아지고 있다. 이로 인해 최신 비디오 장비를 설계하는 많은 업체들이 FPGA 플랫폼으로 전환하는 추세이며, 특히 이들 중 상당수는 군사, 자동차, 의료, 
컨수머, 산업, 보안 애플리케이션을 위해 20GMAC 이상의 DSP 성능을 제공하는 자일링스의 30달러 미만 저가형 스파르탄(Spartan)-3A DSP를 선택하고 있다.
이러한 성능 외에 스파르탄-3A FPGA는 시스템 설계에서 마이크로블레이즈(MicroBlaze) 프로세서를 이용한 임베디드 프로세싱과 DSP를 지원하는 통합 솔루션을 제공한다. 이를 통해 특정 시장 영역에 대한 OS 지원 및 드라이버를 구현할 수 있다. 자일링스는 최근 새로운 익스트림DSP(XtremeDSP) 비디오 스타터 키트인 '스파르탄-3A 에디션'을 출시함으로써 설계팀들이 첨단 제품을 설계하고 개발시간을 단축할 수 있도록 하고 있다.
비디오 스타터 키트 버전 2.0
스파르탄-3A 기반 익스트림DSP VSK(Video Starter Kit) 최신 버전은 자일링스 FPGA 상에서 비디오 애플리케이션을 신속하게 개발할 수 있게 하는 포괄적인 플랫폼을 제공한다. 이 키트는 스파르탄-3A DSP FPGA 디바이스 제품군의 가격과 성능의 장점을 적극 반영하여 설계되었으며, 임베디드 디자인 프레임워크를 기반으로 업데이트 된 비디오 레퍼런스 디자인 세트를 제공함으로써 사용자가 자사 고유의 부가가치 창출에만 주력할 수 있도록 도와준다.
VSK는 자일링스 FPGA 상에서 동작하는 비디오 애플리케이션을 신속하게 개발할 수 있도록 다양한 레퍼런스 디자인을 제공한다. 각 레퍼런스 디자인은 범용 프레임워크 상에 통합되어 있으며, 비디오 데이터 I/O와 FPGA 간의 다중 인터페이스를 사용한다. 다음 도표는 모든 레퍼런스 디자인과 비디오 프로세싱 및 커넥티비티 성능을 정리한 것이다.
레퍼런스 디자인은 비디오 시스템에 범용으로 사용되는 특정 데이터 플로우들을 미리 구현함으로써 신속하게 개발을 마칠 수 있게 해준다. 그림 1은 프로세싱 및 디스플레이를 위해 FPGA에 RAW 이미지 데이터를 제공하는 카메라 레퍼런스 디자인을 나타낸 것이다.
VSK는 개발자들이 설계 시작 단계에서 레퍼런스 디자인을 사용하는데 필요한 모든 소스 및 프로젝트 파일을 제공한다. 카메라 레퍼런스 디자인의 카메라 프로세싱 블록은 시스템 제너레이터(System Generator)로 개발된 디자인으로 전용 하드웨어 주변기기인 EDK 임베디드 시스템을 통합하고 있다. 이를 통해 하드웨어 설계 엔지니어는 이미지 프로세싱 예제를 제거하거나 이를 새로운 또는 기존 설계로 대체할 수 있으며, 하드웨어 주변기기를 지원하기 위해 별도의 설계를 하지 않고도 시스템 안에 통합할 수 있다.
임베디드 프로세싱
복잡한 하드웨어 가속 프로세싱 시스템으로의 이식은 모든 리얼타임 제어 및 컨피규레이션, 시스템 상호작용을 처리하기 위해 임베디드 프로세싱에 대한 요구가 높아지고 있다.
견고하게 통합된 시스템에서 설계자들은 시스템 제너레이터에서 확보한 DSP 설계를 플랫폼 스튜디오(Platform Studio)의 커스텀 주변기기로 전환할 수 있으며, 이를 PLB 버스를 이용해 베이스 시스템에 연결할 수 있다.
이를 통해 시스템 설계자는 마이크로블레이즈 버전7 소프트 코어 프로세서를 적용하여 손쉽게 기존 시스템의 소프트웨어를 이식하거나 시스템을 제어할 수 있다. 또한 설계자들은 특정 애플리케이션에 최적화된 하드웨어 아키텍처를 실행하기 위해 이 디바이스를 활용하여 시스템을 통합하거나 시스템 성능을 향상시킬 수 있다. 예컨대 카메라 레퍼런스 디자인을 이용할 경우 소프트웨어 개발자는 처음부터 EDK 소프트웨어 개발 툴을 이용하여 애플리케이션 계층을 프로그램하거나 OS (Operating System)를 구현할 수 있다(그림 2).
이러한 유연성을 제공하는 스파르탄-3A FPGA를 활용하면 개발 프로세스에 대한 제약을 크게 줄일 수 있을 뿐 아니라 설계도 간단히 마칠 수 있다. 모든 표준 자일링스 툴 플로우를 지원하고 실제 애플리케이션 사례를 제공하는 익스트림DSP 비디오 스타터 키트는 하드웨어 혹은 소프트웨어 개발자들에게 완벽하고 사용이 간편한 설계 환경을 제공한다. 이러한 구성은 신속한 설계 프로세스와 최종 제품의 차별화를 실현하는데 많은 도움이 된다.
시스템 제너레이터는 매스웍스의 시뮬링크(Simulink) 시뮬레이션 성능을 최대 1백배까지 가속할 수 있는 스파르탄-3A DSP 3400A 개발 플랫폼을 이용하여 하드웨어 상에서의 동시 시뮬레이션(HW Co-SIM)을 지원한다. 이러한 가속화는 비디오 알고리즘 개발을 지원하며, 매스웍스의 데이터 획득 툴박스(Data Acquisition Toolbox)를 이용해 시뮬링크에서 실시간 비디오 스트림 판독을 통한 디버깅을 수행할 수 있다.
하드웨어 가속
최근 요구되는 프로세싱 대역폭은 현재 공급되는 독립형 DSP 프로세서의 성능을 능가하고 있으며, 하드웨어 가속 또한 수많은 비디오 애플리케이션의 필수 조건이 되고 있다. FPGA는 이러한 하드웨어 가속을 가능하게 할 뿐만 아니라 시스템 통합 및 아키텍처 재분배라는 추가적인 장점도 제공한다.
독립형 시스템 프로세서에서 코프로세서를 통합한 설계로 옮기고자 할 때, 하드웨어 설계자는 가속하고자 하는 여러 기능들에 대해서 부분적인 설계 검토를 할 필요가 있다. 가장 먼저 필요한 것은 기존의 어떠한 VHDL이나 베릴로그 설계라 하더라도 쉽게 통합할 수 있고, 매트랩(MATLAB)과 시뮬링크를 이용해 추상화 모델 프로그래밍이 가능한 다양한 설계 플로우를 갖는 것이다.
설계자는 옵션으로 제공되는 비디오 및 이미지 프로세싱 블록 세트를 이용하는 매트랩이나 시뮬링크 모델로 먼저 비디오 알고리즘 설계를 구현할 수 있다. 그 다음 개발 단계로서, 풍부한 DSP 빌딩 블록 세트를 제공하는 DSP용 시스템 제너레이터를 통해, 시뮬링크 모델링 환경에서 사용할 수 있는 자일링스 디바이스에 최적화된 하드웨어를 쉽게 구현할 수 있다.
시스템 제너레이터로 하드웨어 설계를 마치면, HW-CoSIM 기능을 이용해 루프 내에 하드웨어를 배치하여 검증 시간을 단축할 수 있다. 이러한 기능은 복잡한 시스템의 테스트 동작 시간을 획기적으로 단축할 수 있으며, 이를 통해 주어진 시간 내에 완료할 수 있는 반복 횟수를 증가시킬 수 있다.
통합 레퍼런스 디자인과 함께 익스트림DSP 비디오 스타터 키트-스파르탄-3A DSP 에디션은 비디오 개발자들이 스트리밍에서 프레임 버퍼 기반에 이르기까지 다양한 데이터 프로세싱 모드를 구현할 수 있는 이상적인 플랫폼을 제공한다. 비디오 개발자들은 시스템 제너레이터를 이용해 신속하게 HW-CoSim 및 설계를 수행할 수 있다. 하드웨어 주변기기와 임베디드 프로세싱을 통합함으로써 산업용 이미징 기기 및 방송, 컨수머, 의료, 자동차 애플리케이션에서 복잡한 비디오 시스템 개발을 가속할 수 있다.
조 말렛(Joe Mallett) 제품 라인 수석 매니저 | 자일링스
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