基于PCI總線的嵌入式實(shí)時(shí)DSP圖像采集系統(tǒng)
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本系統(tǒng)采用ＴＩ公司Ｃ６０００系列ＤＳＰ中的ＴＭＳ３２０Ｃ６２１１作為系統(tǒng)的ＣＰＵ。圖像數(shù)據(jù)通過(guò)攝像機(jī)采集并輸出模擬圖像信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)視頻解碼芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；再經(jīng)ＦＩＦＯ輸入ＤＳＰ進(jìn)行圖像的增強(qiáng)、分割、特征提取和數(shù)據(jù)壓縮等；然后輸出信號(hào)經(jīng)ＰＣＩ解碼芯片轉(zhuǎn)換為符合ＰＣＩ總線規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，通過(guò)ＰＣＩ總線接口傳到上位機(jī)。系統(tǒng)的控制邏輯由ＥＰＬＤ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）控制器實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖１。 （１）視頻解碼芯片 系統(tǒng)中采集的圖像信號(hào)采用Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＳＡＡ７１１１Ａ完成Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換。ＳＡＡ７１１１Ａ允許四路模擬視頻輸入，具有兩個(gè)模擬處理通道，支持四路ＣＶＢＳ模擬信號(hào)或二路Ｙ／Ｃ模擬信號(hào)或二路ＣＶＢＳ信號(hào)和一路Ｙ／Ｃ信號(hào)。ＳＡＡ７１１１Ａ對(duì)攝像頭輸入的標(biāo)準(zhǔn)ＰＡＬ格式的模擬圖像信號(hào)進(jìn)行Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換，然后輸出符合ＣＣＩＲ６０１格式的４：2：2的１６位ＹＵＶ?jǐn)?shù)據(jù)到ＦＩＦＯ。其中亮度信號(hào)Ｙ為８位、色度信號(hào)Ｃｒ和Ｃｂ合為８位數(shù)據(jù)。ＦＩＦＯ采用ＩＤＴ公司的ＩＤＴ７２Ｖ２１５ＬＢ芯片，ＦＩＦＯ的深度為５１２%26;#215;１８ｂｉｔ，支持ＳＴＡＮＤＡＲＤ（標(biāo)準(zhǔn)）和ＦＷＦＴ（Ｆｉｒｓｔ Ｗｏｒｄ Ｆａｌｌ－Ｔｈｒｏｕｇｈ，首字直接通過(guò)）兩種工作模式。按照ＣＣＩＲ６０１格式，ＹＵＶ圖像分辨率為７２０%26;#215;５７６象素，當(dāng)按行輸出時(shí)，ＳＡＡ７１１１Ａ輸出數(shù)據(jù)流大小為：７２０%26;#215;１６＝１４４０ｂｉｔ。因?yàn)椋模樱型ㄟ^(guò)３２位的ＳＢＳＲＡＭ接口與ＦＩＦＯ通信，故ＹＵＶ?jǐn)?shù)據(jù)寫入ＦＩＦＯ時(shí)需要在ＦＩＦＯ之間實(shí)現(xiàn)乒乓切換。這時(shí)一行７２０%26;#215;１６ｂｉｔ的數(shù)據(jù)在兩片ＦＩＦＯ中存儲(chǔ)變?yōu)椋常叮?26;#215;３２ｂｉｔ。兩片ＦＩＦＯ可以滿足上述要求。ＦＩＦＯ的初始化及時(shí)序由ＥＰＬＤ實(shí)現(xiàn)。
（２）ＤＳＰ圖像處理模塊 ＴＭＳ３２０Ｃ６２１１是ＴＩ公司發(fā)布的面向視頻處理領(lǐng)域的新款高速數(shù)字處理芯片，適用于移動(dòng)通信基站、圖像監(jiān)控、雷達(dá)系統(tǒng)等對(duì)速度要求高和高度智能化的應(yīng)用領(lǐng)域。存儲(chǔ)空間分兩部分：運(yùn)行過(guò)程的臨時(shí)數(shù)據(jù)存在Ｗｉｎｂｏｎｄ公司的兩片１２８Ｍｂｉｔ的Ｗ９８１２１６ＢＨ中；系統(tǒng)程序則固化在ＦＬＡＳＨ存儲(chǔ)器中，該存儲(chǔ)器選用ＡＭＤ公司生產(chǎn)的８Ｍｂｉｔ的ＡＭ２９ＬＶ８００Ｂ。Ｆｌａｓｈ存儲(chǔ)器具有在線重寫入功能。這對(duì)系統(tǒng)啟動(dòng)程序的修改和升級(jí)都帶來(lái)了很大的方便。ＤＳＰ處理模塊結(jié)構(gòu)如圖２所示。圖２中的ＨＰＩ（Ｈｏｓｔ Ｐｏｒｔ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）為主機(jī)口；ＥＭＩＦ（Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｍｅｍｏｒｙ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）為外部存儲(chǔ)器接口，兼容同步／異步傳輸方式。 ＴＭＳ３２０Ｃ６２１１ ＤＳＰ的高速性能主要體現(xiàn)在以下方面：①ＴＭＳ３２０Ｃ６２１１的存儲(chǔ)空間最大可擴(kuò)展到１ＧＢ，完全可以滿足各種圖像處理系統(tǒng)所需的內(nèi)存空間，而且其最高時(shí)鐘可達(dá)２００ＭＨｚ，峰值性能可達(dá)１６００ＭＩＰＳ（百萬(wàn)條指令／秒）、２４００ＭＯＰＳ（百萬(wàn)次操作／秒）。②并行處理結(jié)構(gòu)。ＴＭＳ３２０Ｃ６２１１芯片內(nèi)有８?jìng)€(gè)并行處理單元，分為相同的兩組，并行結(jié)構(gòu)大大提高芯片的性能。③芯片體系采用ＶｅｌｏｃｉＴＩ結(jié)構(gòu)。ＶｅｌｏｃｉＴＩ是一種高性能的甚長(zhǎng)指令字（ＶＬＩＷ）結(jié)構(gòu)，單指令字字長(zhǎng)為３２ｂｉｔ，８?jìng)€(gè)指令組成一個(gè)指令包，總字長(zhǎng)為２５６ｂｉｔ。即每秒鐘可以執(zhí)行８條指令。ＶｅｌｏｃｉＴＩ結(jié)構(gòu)大大提高了ＤＳＰ芯片的性能。④采用流水線操作實(shí)現(xiàn)高速度、高效率。ＴＭＳ３２０Ｃ６２１１只有在流水線充分發(fā)揮作用的情況下，才能達(dá)到最高的峰值性能。與其他系列ＤＳＰ相比，優(yōu)勢(shì)在于簡(jiǎn)化了流水線的控制以消除流水線互鎖，并增加流水線的深度來(lái)消除傳統(tǒng)流水線的取指、數(shù)據(jù)訪問(wèn)和乘法操作上的瓶頸。 本系統(tǒng)ＤＳＰ主要完成從ＦＩＦＯ讀出數(shù)據(jù)的處理以及壓縮等。數(shù)據(jù)處理由自行編寫的算法實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)壓縮算法采用ＪＰＥＧ（Ｊｏｉｎｔ Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｉｃ Ｅｘｐｅｒｔ Ｇｒｏｕｐ）標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)攝像頭采集速度為每秒２５幀圖像時(shí)，它留給ＤＳＰ處理的時(shí)間最多為每幀４０ｍｓ。如果考慮系統(tǒng)有一定的延時(shí)以及處理后圖像的存儲(chǔ)時(shí)間，那么ＤＳＰ處理一幅圖像時(shí)間不能超過(guò)３０ｍｓ。按照Ｃ６２１１的處理速度，在３０ｍｓ內(nèi)可以處理４８Ｍ（０．０３%26;#215;１６００ＭＩＰＳ）條指令。ＤＳＰ讀出ＦＩＦＯ中的行數(shù)據(jù)并存入ＳＤＲＡＭ，一幀圖像有５７６行，在最后一行時(shí)會(huì)收到系統(tǒng)的幀中斷，這時(shí)ＳＤＲＡＭ中的圖像數(shù)據(jù)總共有１４４０%26;#215;５７６＝８１０ＫＢ。讓Ｃ６２１１用３６Ｍ條指令周期的時(shí)間處理８１０ＫＢ的數(shù)據(jù)顯然綽綽有余。粗略的計(jì)算過(guò)程如下： 系統(tǒng)采用快速ＤＣＴ（離散余弦變換），每８%26;#215;８矩陣需要１１次乘法、２９次加法，因此一幀圖像的ＦＤＣＴ，共需要（１１＋２９）%26;#215;７２０%26;#215;５７６%26;#215;２／６４＝５１８４００個(gè)指令周期；對(duì)于量化模塊，每８%26;#215;８矩陣需要６４個(gè)量化指令周期，一幀需要６４%26;#215;７２０%26;#215;５７６%26;#215;２／６４＝８２９４４０個(gè)指令周期；對(duì)于編碼部分，假設(shè)編碼后非０元素占２５％，對(duì)每８%26;#215;８矩陣進(jìn)行Ｚｉｇ－Ｚａｇ掃描、編碼估計(jì)需要１２０個(gè)指令周期，則共需１２０%26;#215;７２０%26;#215;５７６%26;#215;２／６４＝１５５５２００個(gè)指令周期。按以上計(jì)算，在系統(tǒng)中進(jìn)行ＪＰＥＧ編碼大約需要２９０３０４０個(gè)指令周期，耗時(shí)１９．３５３６ｍｓ（ＴＭＳ３２０Ｃ６２１１工作在１５０ＭＨｚ時(shí)）。可以看出，實(shí)際需要的指令遠(yuǎn)小于３６Ｍ條，而時(shí)間也遠(yuǎn)小于３０ｍｓ，ＤＳＰ完全可以實(shí)時(shí)處理從ＦＩＦＯ傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。 （３）ＰＣＩ總線模塊 ＰＣＩ總線規(guī)范吸引人的地方不僅是其高速度，更在于
它適應(yīng)了現(xiàn)代Ｉ／Ｏ設(shè)備對(duì)系統(tǒng)的要求，對(duì)ＰＣＩ擴(kuò)展卡及器件能進(jìn)行全自動(dòng)配置，并且只需很少的接口邏輯就可以實(shí)現(xiàn)并支持其他總線系統(tǒng)。 ＴＭＳ３２０Ｃ６２１１的ＨＰＩ口不支持ＰＣＩ總線的無(wú)縫接口。本系統(tǒng)采用ＴＩ公司的ＰＣＩ２０４０實(shí)現(xiàn)ＤＳＰ的ＨＰＩ與ＰＣＩ總線的連接。ＤＳＰ處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)ＨＰＩ口輸出到ＰＣＩ２０４０進(jìn)行解碼，然后輸出到ＰＣＩ總線上。其邏輯結(jié)構(gòu)如圖３所示。 ＰＣＩ２０４０是ＴＩ公司設(shè)計(jì)的專門用來(lái)完成Ｃ５０００系列和Ｃ６０００系列ＤＳＰ與ＰＣＩ總線進(jìn)行接口的專用芯片。ＰＣＩ２０４０符合ＰＣＩ局部總線２．２規(guī)范，能夠方便地實(shí)現(xiàn)ＰＣＩ總線與ＴＭＳ３２０Ｃ５４Ｘ或ＴＭＳ３２０Ｃ６Ｘ ＤＳＰ的ＨＰＩ接口的無(wú)縫連接。ＰＣＩ２０４０可以兼容３．３Ｖ和５Ｖ，以適應(yīng)不同的ＰＣＩ總線電壓。ＰＣＩ２０４０與Ｃ６２１１之間不需要信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換，也不需要額外的控制邏輯電路，接口電路十分簡(jiǎn)單。 在本系統(tǒng)中，ＰＣＩ２０４０上存在兩種電壓：５Ｖ和３．３Ｖ。其中３．３Ｖ是ＨＰＩ口電壓，５Ｖ是ＰＣＩ總線電壓。ＰＣＩ２０４０啟動(dòng)時(shí)需要對(duì)其ＰＣＩ總線寄存器和ＨＰＩ寄存器參數(shù)進(jìn)行預(yù)加載。系統(tǒng)中ＰＣＩ解碼模塊包括一塊配置ＲＯＭ——ＡＴ２４Ｃ０８Ａ，屬于ＥＥＰＲＯＭ型ＲＯＭ，便于對(duì)配置參數(shù)修改和升級(jí)。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，存儲(chǔ)在ＡＴ２４Ｃ０８Ａ的數(shù)據(jù)下載到ＰＣＩ２０４０的寄存器中并進(jìn)行配置。 圖３中ＨＩＮＴ[３:０]、ＨＣＳ[３:０]、ＨＲＤＹ[３:０]、ＨＲＳＴ[３:０]分別與四片ＤＳＰ中的相應(yīng)信號(hào)相連。即ＰＣＩ２０４０可以同時(shí)與四片ＤＳＰ接口。 ２ 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 本軟件系統(tǒng)包括兩部分，即底層軟件和系統(tǒng)軟件。 底層軟件主要是ＤＳＰ圖像處理算法以及啟動(dòng)等運(yùn)行程序。這些程序主要在ＣＣＳ環(huán)境下由Ｃ語(yǔ)言編寫并進(jìn)行匯編優(yōu)化。ＣＣＳ即Ｃｏｄｅ Ｃｏｍｐｏｓｅｒ Ｓｔｕｄｉｏ，是ＴＩ公司發(fā)布的ＤＳＰ軟件運(yùn)行環(huán)境。 在系統(tǒng)軟件方面，基于ＰＣＩ總線的圖像處理系統(tǒng)面臨的難點(diǎn)頗多，其中難度最大的是ＰＣＩ驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。當(dāng)然這對(duì)于不同的系統(tǒng)軟件可能難度各異。若在Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統(tǒng)下，可以充分利用Ｗｉｎｄｏｗｓ的窗口特性：一方面，因?yàn)椋祝椋睿洌铮鳎蠹夹g(shù)成熟，軟件編寫相對(duì)比較簡(jiǎn)單；另一方面，在Ｗｉｎｄｏｗｓ平臺(tái)下，ＰＣＩ驅(qū)動(dòng)無(wú)需開(kāi)發(fā)，可以直接利用Ｗｉｎｄｏｗｓ的ＰＣＩ驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)圖像卡的驅(qū)動(dòng)。但是Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統(tǒng)比較龐大，而且無(wú)法依照系統(tǒng)的需要進(jìn)行自由裁減，不適合做成嵌入式系統(tǒng)。這里主要闡述在ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統(tǒng)下的軟件設(shè)計(jì)方法。 相對(duì)于Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統(tǒng)，ＶｘＷｏｒｋｓ的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：①ＶｘＷｏｒｋｓ系統(tǒng)具有較好的可裁減性，可裁剪的組件超過(guò)８０個(gè)，用戶可根據(jù)自己系統(tǒng)的功能目標(biāo)通過(guò)交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境方便地配置；②ＶｘＷｏｒｋｓ支持應(yīng)用程序的動(dòng)態(tài)鏈接和動(dòng)態(tài)下載，開(kāi)發(fā)者省去了每次調(diào)試都將應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行鏈接和下載的步驟，縮短了編輯／調(diào)試周期；③ＶｘＷｏｒｋｓ具有較好的兼容性，它是最早兼容ＰＯＳＩＸ１００３．１ｂ標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)之一；④ＶｘＷｏｒｋｓ具有很高的可靠性和穩(wěn)定性；⑤ＶｘＷｏｒｋｓ具有很好的實(shí)時(shí)性，實(shí)時(shí)性的強(qiáng)弱以完成規(guī)定功能和做出響應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)衡量。ＶｘＷｏｒｋｓ的多任務(wù)機(jī)制對(duì)任務(wù)的控制采用了優(yōu)先級(jí)搶占（Ｐｒｅｅｍｐｔｉｖｅ Ｐｒｉｏｒｉｔｙ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ）和輪轉(zhuǎn)調(diào)度（Ｒｏｕｎｄ－Ｒｏｂｉｎ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ）機(jī)制。這充分保證了可靠的實(shí)時(shí)性，使同樣的硬件配置能滿足更強(qiáng)的實(shí)時(shí)性要求，為應(yīng)用的開(kāi)發(fā)留下更大的余地。 為闡明如何在ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)ＰＣＩ總線的驅(qū)動(dòng)，還需了解ＰＣＩ設(shè)備的配置空間。ＰＣＩ設(shè)備有三種物理存儲(chǔ)空間：配置空間、存儲(chǔ)器空間和Ｉ／Ｏ空間。配置空間是長(zhǎng)度為２５６字節(jié)的一段連續(xù)空間，空間的定義如圖４?眼１?演。在配置空間中只讀空間有設(shè)備標(biāo)識(shí)、供應(yīng)商代碼、修改版本、分類代碼以及頭標(biāo)類型。其中供應(yīng)商代碼用來(lái)標(biāo)識(shí)設(shè)備供應(yīng)商的代碼；設(shè)備標(biāo)識(shí)用來(lái)標(biāo)識(shí)某一特殊的設(shè)備；修改版本標(biāo)識(shí)設(shè)備的版本號(hào)；分類代碼用來(lái)標(biāo)識(shí)設(shè)備的種類；而頭標(biāo)類型用來(lái)標(biāo)識(shí)頭類型以及是否為多功能設(shè)備。除供應(yīng)商代碼之外，其他字段的值由供應(yīng)商分配。 基地址寄存器最重要的功能是分配ＰＣＩ設(shè)備的系統(tǒng)地址空間。在基地址寄存器中ｂｉｔ０（最低位）用來(lái)標(biāo)識(shí)存儲(chǔ)器空間還是Ｉ／Ｏ地址空間，基地址寄存器映射到存儲(chǔ)器空間時(shí)ｂｉｔ０為“０”，映射到Ｉ／Ｏ地址空間時(shí)ｂｉｔ０為“１”。
ＰＣＩ設(shè)備的驅(qū)動(dòng)過(guò)程主要包括下面幾個(gè)步驟： 首先，ＰＣＩ設(shè)備的查找。在嵌入式操作系統(tǒng)中一般提供相應(yīng)的ＡＰＩ函數(shù)查找。在ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統(tǒng)中通過(guò)函數(shù)ｐｃｉＦｉｎｄＤｅｖｉｃｅ(ＰＣＩ＿ＶＥＮＤＯＲ＿ＩＤ,ＰＣＩ＿ＤＥＶＩＣＥ,ｉｎｄｅｘ, ＆ｐｃｉＢｕｓ, ＆ｐｃｉＤｅｖｉｃｅ，＆ｐｃｉＦｕｎｃ_可以找到供應(yīng)商代碼為ＰＣＩ＿ＶＥＮＤＯＲ＿ＩＤ、設(shè)備標(biāo)識(shí)為ＰＣＩ＿ＤＥＶＩＣＥ的第ｎ（ｉｎｄｅｘ＋１）個(gè)設(shè)備，并且返回總線號(hào)、設(shè)備號(hào)以及功能號(hào)，分別保存于＆ｐｃｉＢｕｓ、＆ｐｃｉＤｅｖｉｃｅ、＆ｐｃｉＦｕｎｃ中。 其次，ＰＣＩ設(shè)備的配置。通過(guò)操作系統(tǒng)提供的ＡＰＩ函數(shù)訪問(wèn)ＰＣＩ設(shè)備的配置空間，配置ＰＣＩ設(shè)備基址寄存器的配置、中斷配置、ＲＯＭ基地址寄存器的配置等，這樣可以得到ＰＣＩ的存儲(chǔ)器空間和Ｉ／Ｏ地址空間映射、設(shè)備的中斷號(hào)等。在ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統(tǒng)中訪問(wèn)ＰＣＩ設(shè)備配置空間的ＡＰＩ函數(shù)有ｐｃｉＣｏｎｆｉｇＯｕｔＬｏｎｇ、ｐｃｉＣｏｎｆｉｇＩｎＬｏｎｇ等，它們分別完成對(duì)ＰＣＩ設(shè)備配置空間的讀寫操作。 然后，根據(jù)ＰＣＩ設(shè)備的配置參數(shù)，對(duì)不同的設(shè)備編寫初始化程序、中斷服務(wù)程序以及對(duì)ＰＣＩ設(shè)備存儲(chǔ)空間的訪問(wèn)程序。 很顯然，用ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雖然有一定的難度，但是系統(tǒng)具有很大的靈活性，系統(tǒng)比較小、適應(yīng)性強(qiáng)，并且可以在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。 圖像采集系統(tǒng)的關(guān)鍵在于如何對(duì)大容量的信息進(jìn)行暫存、壓縮和傳輸?shù)葐?wèn)題進(jìn)行處理。本系統(tǒng)很好地解決了這三個(gè)難題。在圖像信息暫存方面充分利用了ＤＳＰ存儲(chǔ)空間的可擴(kuò)展性，保證了系統(tǒng)可暫存的信息量足夠大；信息壓縮是ＤＳＰ最擅長(zhǎng)做的事情，可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成大量的信息壓縮工作；ＰＣＩ總線的引入保證了信息在足夠的帶寬下進(jìn)行快速傳輸。采用嵌入式ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)使得系統(tǒng)具有良好的靈活性和適應(yīng)性，并大大降低了系統(tǒng)的成本。
linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）
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