航天時(shí)代的嵌入式圖像處理技術(shù)
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摘要：本文首先簡(jiǎn)要介紹了充滿(mǎn)奇想的航天時(shí)代，在此基礎上，從統一的體系結構模型，虛擬的并行計算陣列與仿生的物理實(shí)現技術(shù)三個(gè)方面，討論了天基嵌入式MPP圖像處理技術(shù)的功能，結構與物理實(shí)現問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：嵌入式；圖像處理；人工智能；航天時(shí)代
充滿(mǎn)奇想的航天時(shí)代
1961年4月12日，蘇聯(lián)宇航員加加林乘“東方”1號載人飛船，開(kāi)創(chuàng )了充滿(mǎn)奇想的航天時(shí)代，至今已有499名宇航員圓了飛天之夢(mèng)，12名宇航員圓了登月之夢(mèng)。21世紀，美國采用載人飛船不僅要在月球上建立基地，而且要完成載人火星探測。不僅如此，人們還瞄準了太空游，充滿(mǎn)好奇心的美國人的蒂托（2001）、奧爾森（2005），南非的沙特爾沃斯（2002）和美籍伊朗人安薩里（2006）4名富翁，花了2000萬(wàn)美元在國際空間站住了8天，環(huán)繞地球120周，完成了軌道式的太空游；第5名太空游的富翁將是軟件奇才美籍匈牙利人希莫尼。
正如瑞典的物理諾貝爾獎評委會(huì )主任Sune Svanberg所說(shuō)的，“一個(gè)好的科研成果有時(shí)候就來(lái)自一個(gè)靈機一現的想法，而不是像培養運動(dòng)員那樣機械式的訓練。諾貝爾獎鼓勵好奇心驅使下的自由自在的研究?！碧技{米管能承載比自身重5萬(wàn)倍物體的特殊性能，使人們現在又產(chǎn)生了靈機一現的研制太空天梯的奇想，估計要50年后才會(huì )成功。
航天時(shí)代不僅促進(jìn)了運載火箭技術(shù)，應用衛星技術(shù)與深空探測技術(shù)的迅猛發(fā)展，而且也使地基因特網(wǎng)發(fā)展成了天基太空網(wǎng)，延伸到了1億2千萬(wàn)公里的火星，促進(jìn)了天基嵌入式圖像處理技術(shù)等航天微電子應用技術(shù)的迅猛發(fā)展。
嵌入式圖像處理技術(shù)
（1）統一的體系結構模型
為了同時(shí)滿(mǎn)足能提高芯片集成度與縮短設計周期的要求，以IP核為基礎的設計平臺技術(shù)以及從功能到體系結構的協(xié)同設計方法得到了發(fā)展。由于非控制流的計算機體系結構復雜、效率低，現在的計算機體系結構都采用控制流的體系結構，按照我們提出的計算機體系結構的分類(lèi)模型，控制流的體系結構可分為三類(lèi)：一是基于指令流的體系結構，也就是以微處理器為代表的體系結構，按照Flynn采用指令流與數據流兩個(gè)邏輯概念的分類(lèi)共有SISD、SIMD、MISD、MIMD四種體系結構；二是基于數據流的體系結構，也就是以ASIC（例如Systolic array）電路為代表的體系結構，因為它只有數據流的概念所以只有SD與MD兩類(lèi)，由于A(yíng)SIC 電路效率雖然高，但為了克服沒(méi)有處理器靈活這個(gè)缺點(diǎn)，又出現了靜態(tài)可編程FPGA電路；三是基于構令流（Configuration Stream）的體系結構，通常叫做可重構的（Reconfigurable）體系結構，也就是動(dòng)態(tài)可編程電路，共有SCSD、SCMD、MCSD、MCMD四類(lèi)。
這些按邏輯概念分類(lèi)的體系結構可以組合起來(lái)使用，其選擇方案可以有1023種。就具體實(shí)現而言方案更多，例如，不同廠(chǎng)家的處理器的指令集合都是不相同的。而功能與體系結構的協(xié)同設計，是通過(guò)功能到體系結構的映射完成的，為了確保這種映射的高效與統一，提出了一種統一的體系結構模型，從三個(gè)方面對體系結構進(jìn)行了統一：一是提出了一種Unified _ISA模型，如圖1所示，能將上述三種體系結構從指令集合上統一起來(lái)；二是提出了一種將高級語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言折中的中間映射語(yǔ)言，能將高級語(yǔ)言的兼容性和可讀性，與匯編語(yǔ)言的程序高效性和映射直接性統一起來(lái)；三是通過(guò)中間映射語(yǔ)言的編程，能將軟構件與硬構件的設計統一起來(lái)。
圖1 Unified _ISA模型的邏輯概念圖
具體對指令流體系結構來(lái)說(shuō)，其SISD、SIMD、MISD、MIMD四類(lèi)體系結構的指令子集合是統一成SISD體系結構的指令集合，對于數據流與構令流的體系結構是通過(guò)增加相應的指令，統一成SISD體系結構的指令集合的；換句話(huà)說(shuō)，圖1中的SIMD、MIMD、ASIC與RC Device四種MPP Unit都是可以通過(guò)軟構件描述的。這些軟構件是可以在SIMD或MIMD體系結構上直接執行的，或者是可以自動(dòng)映射成ASIC或RC Device電路的。
(2)虛擬的并行計算陣列
由于G級像素幀遙感圖像處理的需要，MPP并行計算陣列得到了發(fā)展，因為圖像幀總是二維的，相應的處理元陣列也是二維的，如圖2中所示。雖然芯片集成度已經(jīng)很高，但現在還不能在一塊芯片上研制G級像素幀的G個(gè)處理元的陣列，現在還只有采用WSI技術(shù)完成的百萬(wàn)個(gè)處理元的陣列。因此，還只能采用虛擬處理元陣列技術(shù)，解決MPP程序設計的方便性與程序本身的可讀性。換句話(huà)說(shuō)，MPP圖像處理程序是按虛擬并行計算陣列設計的，也就是MPP程序設計時(shí)，總是假定圖2中網(wǎng)格陣列的M與N的值是與圖像幀的維數大小相等的，而實(shí)際的處理元陣列的大小m
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