基于TMS320DM365的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)底層軟件應(yīng)用
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
本設(shè)計(jì)決定選用行業(yè)內(nèi)較為成熟的TI公司DaVinci設(shè)計(jì)框架。該設(shè)計(jì)方案集成了ARM和DSP兩個(gè)部分，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)將系統(tǒng)中的圖像處理模塊和攝像機(jī)控制模塊結(jié)合起來(lái)。
文中將描述基于TMS320DM365網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的底層程序，包括了系統(tǒng)的內(nèi)核、驅(qū)動(dòng)、啟動(dòng)程序等，攝像機(jī)系統(tǒng)基于DaVinci框架。整個(gè)硬件基礎(chǔ)可以參考之前發(fā)表的文章《基于TMS320DM365的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)》。
1 DaVinci框架下的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)結(jié)構(gòu)
1．1 DaVinci框架簡(jiǎn)介
DaVinci(達(dá)芬奇)框架是一套由TI公司提出的集成了DSP處理器、軟件、工具的綜合型解決方案系列，非常適合用于開發(fā)各類數(shù)字視頻終端設(shè)備，包括了數(shù)字音頻、視頻、成像、視覺應(yīng)用等。該技術(shù)的目的是讓開發(fā)廠商能夠更輕松、更快速地開發(fā)各種低成本的創(chuàng)新型數(shù)字視頻產(chǎn)品。Davinci技術(shù)系列組件，其中不僅包括了相應(yīng)的處理器、軟件、工具，還提供一系列的解決方案和技術(shù)支持等。由于基于DaVinci框架下設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品之間兼容性和共通性很高，所以很多大型的公司也樂于使用TI的DaVinci解決方案，以增加自身產(chǎn)品在周邊行業(yè)內(nèi)的兼容性。并且DaVinci框架擁有一套全方位的軟件支持，提供了下至一般的操作系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，上至應(yīng)用程序接口API，甚至DSP的編碼程序也是作為一個(gè)固有程序包，集成在BIOS和Code Server中。
1．2 DaVinci硬件基礎(chǔ)
作為底層驅(qū)動(dòng)軟件的基礎(chǔ)，這里需要詳細(xì)對(duì)DaVinci框架的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。DaVinci數(shù)字視頻處理芯片是整個(gè)DaVinci技術(shù)框架的的核心，其最大特點(diǎn)為整個(gè)處理芯片集成了ARM和DSP兩種核心，實(shí)現(xiàn)了兩種核心的并行工作和通信機(jī)制。TMS320DM365作為DaVinci技術(shù)框架下的一款新型芯片，也和之前系列芯片擁有相同的系統(tǒng)，一個(gè)通用的DaVinci系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
DSP即數(shù)字信號(hào)處理器，其主要特點(diǎn)就是能夠進(jìn)行大量的乘加運(yùn)算，擁有高速計(jì)算能力，并且DSP的數(shù)據(jù)和程序分離存儲(chǔ)，這樣充分利用了所有線寬，進(jìn)一步加速了DSP的處理速度，在數(shù)字?jǐn)z像機(jī)中DSP專門用于計(jì)算量龐大的圖像處理算法。DSP其功能包括了VPSS(Video Process ing Subsystem)和VICP(Video Image Collaborative Processer)兩個(gè)部分。視頻處理系統(tǒng)VPSS是DM365的視頻信號(hào)采集模塊，與其他攝像機(jī)控制芯片相比，最顯著的特點(diǎn)是DM365帶有一個(gè)ISIF模塊，可以直接獲取CCD和CMOS的輸出圖像。相較于一般圖像處理芯片需要先一步進(jìn)行A ／D處理，DM365能更加快速地獲取圖像信號(hào)。視頻／影像協(xié)處理器(VICP)作為DM365芯片中DSP部分的主體，主要功能是視頻圖像的壓縮算法，一般使用的H．264壓縮方式，其中還包括了運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、對(duì)象識(shí)別等算法，這些圖像處理算法占整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)算量的600％～80％。
ARM處理器盡管沒有DSP那么快速的圖像處理速度，但是ARM較大的程序存儲(chǔ)量和迅速的任務(wù)切換能力，使得它適合復(fù)雜的、多線程的任務(wù)調(diào)控，支持實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)。ARM子系統(tǒng)管理和協(xié)調(diào)芯片內(nèi)其他功能模塊的工作，采用流水線的工作方式執(zhí)行系統(tǒng)控制任務(wù)，例如系統(tǒng)的初始化、參數(shù)配置、電源管理和用戶功能等。
兩者之間的通訊方式如圖2所示，芯片中ARM可以訪問(wèn)DSP的片內(nèi)存儲(chǔ)器，包括L2RAM和L1 P／D，DSP也可以訪問(wèn)ARM的片內(nèi)存儲(chǔ)器，并且ARM和DSP共享DDR2和AEMIF，其中AEMIF是指異步的外接存儲(chǔ)器接口(Asynchronous External MemoryInterface)。因此通常情況下ARM只需要將處理數(shù)據(jù)的地址指針傳遞給DSP，而不需要大量的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)中的DSP和ARM通過(guò)2個(gè)內(nèi)核相互中斷實(shí)現(xiàn)通信，ARM使用DSP的4個(gè)通用中斷和1個(gè)不可屏蔽中斷來(lái)控制DSP；而DSP通過(guò)兩個(gè)中斷來(lái)中斷ARM。DSP的電源、時(shí)鐘、復(fù)位都是由ARM進(jìn)行控制。
2 網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的軟件結(jié)構(gòu)
由于DaVinci系統(tǒng)雙處理核心的硬件結(jié)構(gòu)，整個(gè)DaVinci的軟件框架也類似于硬件框架分為ARM核心的軟件和DSP部分的軟件。整個(gè)軟件框架圖如圖3所示，ARM內(nèi)核中的軟件主要為操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用層面的軟件，DSP內(nèi)核里運(yùn)行音視頻編解碼算法處理，ARM通過(guò)TI的Codec Eng ine機(jī)制調(diào)用DSP完成編解碼。
在DSP部分，軟件由最底層的DSP／BIOSTM內(nèi)核，內(nèi)核上層是Codec engine，用于和ARM端的Linux通信，最頂層是圖像處理箅法。針對(duì)圖像處理算法，DaVinci框架提供了數(shù)字信號(hào)處理算法接口標(biāo)準(zhǔn)(XDAIS)和針對(duì)流媒體的XDM。所有符合XDAIS和XDM標(biāo)準(zhǔn)的圖像處理算法包都可以被用于DaVinci的DSP中。并且在XDAIS和XDM中也包括了一套流程完整的基礎(chǔ)的圖像處理算法，用戶可以按照其標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修改，或者自行重新開發(fā)。再加上由第三方開發(fā)的符合XDM標(biāo)準(zhǔn)的軟件包，地豐富了整個(gè)DSP圖像處理軟件部分的資源。
ARM部分的軟件系統(tǒng)使用基于Linux的嵌入式軟件系統(tǒng)，軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。整個(gè)系統(tǒng)基于Linux的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，在Linux上需要加入文件系統(tǒng)、圖形用戶接口和任務(wù)管理，最頂層是應(yīng)用層面的軟件，在應(yīng)用軟件中DaVinci系統(tǒng)只提供常用的API。
Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，應(yīng)用程序、引導(dǎo)加載程序(Boot Loader)、驅(qū)動(dòng)程序(Driver)和操作系統(tǒng)(Operating System)的內(nèi)核鏡像都是相互獨(dú)立的，可以單獨(dú)編譯修改。只要符合各個(gè)部分特有的接口和程序存放位置，就能被整個(gè)系統(tǒng)識(shí)別并且調(diào)用。引導(dǎo)程序是UBL和u-boot，用于初始化硬件系統(tǒng)，引導(dǎo)Linux操作系統(tǒng)的加載，完成內(nèi)核文件加載后，將控制權(quán)交給操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的內(nèi)核鏡像uImage，是一個(gè)基礎(chǔ)的操作系統(tǒng)平臺(tái)，調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)多線程機(jī)制，完成了系統(tǒng)調(diào)用等工作。驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序是事先存儲(chǔ)在操作系統(tǒng)特定文件夾內(nèi)的，被操作系統(tǒng)Linux按順序調(diào)用，開發(fā)者可以根據(jù)自己的需要自行修改。Linux內(nèi)的文件系統(tǒng)主要提供內(nèi)核中所有文件的存儲(chǔ)、檢索和更新等功能，同樣包括了驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序的文件操作。一般不提供保護(hù)和加密等安全機(jī)制。文件系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用和命令方式提供文件的各種操作，主要包括設(shè)置、修改對(duì)文件和目錄的用戶權(quán)限；提供針對(duì)目錄的創(chuàng)建、修改和刪除等功能；提供針對(duì)文件的創(chuàng)建、打開、讀寫、關(guān)閉和撤銷等功能。
對(duì)于應(yīng)用層面的開發(fā)而言，并不需要考慮DSP部分的圖像處理實(shí)現(xiàn)算法，直接將DSP部分作為一個(gè)黑箱進(jìn)行處理，通過(guò)圖像服務(wù)接口，從ARM部分通過(guò)語(yǔ)句進(jìn)行調(diào)用。圖像服務(wù)的接口提供了用戶調(diào)用DSP中的圖像處理程序的接口，整個(gè)服務(wù)接口使用Codec中間框架系統(tǒng)。Linux端的程序通過(guò)Codec引擎訪問(wèn)DSP處理器中的Codec Server。整個(gè)Codec框架包括了多種API和SPI，從軟件角度可以看做是一個(gè)介于應(yīng)用程序和DSP中圖像處理算法之間的接口，如圖5所示。這樣ARM端的應(yīng)用程序開發(fā)者，可以不用去考慮DSP中復(fù)雜的音視頻算法。
評(píng)論