Magistrala PCI Express (PCIe) charakteryzuje się determinizmem oraz możliwością przesłania dużej ilości danych w ciągu sekundy. Nadaje się idealnie do wykorzystania w komputerowych systemach wizyjnych typu frame-grabber ze względu na zdolność przetwarzania obrazu i transmisji wideo o wysokich rozdzielczościach.
Tradycyjne komputerowe systemy wizyjne składają się z komputera PC wyposażonego w moduł przetwarzania wideo frame grabber umieszczony w złączu PCI Express (PCIe). Moduł przechwytuje obrazy z kamer i przesyła je na szynę PCIe komputera w celu dalszej obróbki. Frame grabber może być skonfigurowany do pracy z wieloma popularnymi typami interfejsów kamer analogowych i cyfrowych, takich jak CameraLink, IEEE 1394 czy GigE Vision.
Magistrala PCIe charakteryzuje się determinizmem oraz możliwością przesyłu dużej ilości danych w ciągu sekundy, dlatego też jest praktyczna do zastosowań modułu frame grabber w komputerach PC ze względu na zdolność przetwarzania obrazu i transmisji wideo o wysokich rozdzielczościach.
Podczas gdy systemy wizyjne oparte na komputerach PC są ciągle szeroko i chętnie stosowane, wielu wytwórców sprzętu (OEM) idzie dalej i tworzy wbudowane systemy wizyjne, które mają przewagę nad systemami opartymi na komputerach PC w takich obszarach, jak odporność, niezawodność, mobilność czy pobór mocy. Sercem najnowszych systemów wbudowanych są procesory ARM i procesory sygnałowe (DSP), które w niektórych przypadkach są w stanie osiągać częstotliwości przekraczające nawet 1 GHz i umożliwiają wykonywanie skomplikowanych i wyrafinowanych algorytmów wizyjnych.
Ostatnia generacja procesorów wbudowanych przoduje w przetwarzaniu algorytmów wizyjnych i cechuje się wysoko zintegrowaną obsługą urządzeń peryferyjnych, takich jak porty kamer i wideo w celu szybszego podłączenia sensorów obrazu i dekoderów wideo. Wbudowane porty kamer i wideo mogą służyć jako zintegrowany moduł frame Grebber, eliminując tym samym potrzebę posiadania tradycyjnego systemu z modułem wpiętym w magistralę PCIe.
Ze względu na fakt, że szyna PCIe frame grabbera nie jest wykorzystywana, projektanci znaleźli dla niego alternatywne przeznaczenie. Najbardziej rozpowszechnione zastosowanie znalazł w obszarze wewnętrznej komunikacji pomiędzy procesorami. Wiele z dzisiejszych wbudowanych systemów wizyjnych jest wyposażonych w dwa bądź więcej wbudowanych układów scalonych odpowiedzialnych za przetwarzanie danych, np.:
- oparty na architekturze ARM procesor do obsługi systemu operacyjnego wysokiego poziomu (OS) jak Linux, Google Android czy Microsoft Windows Embedded CE, zapewniający kontrolę systemu i oferujący obsługę sieci i wyświetlania,
- programowalna macierz bramek (FPGA) do przetwarzania obrazów,
- procesor sygnałowy (DSP) do przyspieszenia algorytmów wizyjnych,
- procesor graficzny 3D do przyspieszenia wykonywania zaawansowanych interfejsów graficznych użytkownika (GUI).
Jeżeli każdy z procesorów wykorzystywany w systemie wyposażony jest w interfejs PCIe, możliwe jest takie wprowadzenie ustawień przełącznika, aby komunikacja pomiędzy nimi odbywała się z małymi opóźnieniami oraz z dużą przepustowością. Korzystanie z przełącznika PCIe zapewnia również redundancję procesora głównego, np. jak opisany powyżej ARM, i dokonuje szybkiego przełączenia w razie awarii głównego procesora. We wbudowanych systemach wizyjnych można podłączyć wiele procesorów wykorzystujących przełącznik PCIe (wykres 1).
Niektórzy dostawcy układów scalonych poszli jeszcze dalej, integrując na pojedynczym chipie (SoC) procesor ARM, DSP i procesor graficzny. Przykładem tutaj może być wyżej wymieniony C6A81x C6-Integra DSP + ARM procesor.
Magistrala PCIe pełni jeszcze jedną ważną rolę w wysoko zintegrowanych układach scalonych ze względu na zapewnianie portów rozszerzeń i mostków, dla nowo powstających technologii, takich jak 10-gigabitowy Ethernet, superszybki USB (USB 3.0) czy SATA 6 Gbit/s. Mostki interfejsu PCIe dają dostęp do I/O technologiom, które nie były wystarczająco rozwinięte, aby zostać zintegrowane na chipie podczas fazy jego projektowania. Reasumując, magistrala PCIe wydaje się być przyszłościowym rozwiązaniem z punktu widzenia możliwości rozszerzeń I/O chipów SoC. Mostki PCIe mogą być wykorzystywane do zwiększenia potencjału I/O wbudowanych systemów wizyjnych (wykres 1).
Podwójna przepustowość, większa rozdzielczość
Wraz ze wzrostem znaczenia komputerowych systemów wizyjnych rozwija się technologia PCIe. Dzisiejsze rozwiązania wbudowanego PCIe zdominowane są głównie przez rozwiązania z rodziny PCIe 1.x oraz od niedawna przez urządzenia od głównych dostawców układów scalonych zapewniających obsługę PCIe 2.x. W listopadzie 2010 roku PCI-SIG pokazało po raz pierwszy konfigurację sprzętową umożliwiającą komunikację po magistrali PCIe 3.0, która pozwala na podwojenie przepustowości przesyłu danych w porównaniu ze standardem PCIe 2.x. Zwiększona przepustowość oznacza kilka korzyści dla wbudowanych systemów wizyjnych korzystających z PCIe 3.0.
Dzięki PCIe 3.0 uzyskamy większą wydajność pomiędzy poszczególnymi układami scalonymi we wbudowanym systemie wizyjnym, które wymagają multiprzetwarzania, pozwalając tym samym na obróbkę obrazów o większych rozdzielczościach i z większej liczby źródeł. Dla systemów, które niekoniecznie wymagają większej wydajności, PCIe 3.0 umożliwia osiąganie podobnych przepustowości co PCIe 2.0, korzystając z mniejszej liczby torów danych. Może być to szczególnie istotne ze względu na fakt, że dzisiejsze wbudowane procesory muszą borykać się z wieloma ograniczeniami, również natury wielkościowej.
Niezmiernie ważne jest to, że procesory wyposażone w porty PCIe 3.0 będą zapewniać komunikację wbudowanym systemom wizyjnym z następną generacją protokołów komunikacyjnych kamer.
Ewolucja protokołu PCIe jest nierozłączną częścią nowej technologii Thunderbolt, rozwijanej przez firmę Intel we współpracy z Apple, która ma za zadanie połączyć interfejsy PCIe i DisplayPort w jedno kablowe połączenie z komputerem. W miarę upowszechniania się technologii Thunderbolt wbudowane systemy wizyjne będą zawierały mostki Thunderbolt PCIe, aby umożliwić komunikację z komputerem z wysoką przepustowością. Magistrala PCIe stanowi swego rodzaju pomost pomiędzy światem komputerów PC, a światem wbudowanych systemów wizyjnych.
Brad Cobb jest inżynierem pracującym dla Texas Instruments.
CE
