基于TMS320DM642視頻采集驅動(dòng)開(kāi)發(fā)

TMS320DM642 是一款針對視頻和圖像解決方案的高性能數字多媒體處理器，具有極強的處理性能" 高度的靈活性和可編程性。因此主要用于視頻信號處理和通信。結合合適的編碼器控制算法，具有較高運算速度的TMS320DM642DSP 芯片可以作新一帶視頻壓縮標準H.264編、解碼器的硬件平臺，實(shí)現滿(mǎn)足應用需求的H.264 編碼器^【1】。

驅動(dòng)程序位于計算機軟件的最低層(HAL 為硬件抽象層) , 直接與硬件設備的特性聯(lián)系在一起。編寫(xiě)驅動(dòng)程序不僅要了解設備的特性, 而且還要了解操作系統的結構難度較大^【2】。本文結合TMS320DM642芯片特點(diǎn)詳細介紹了視頻采集驅動(dòng)開(kāi)發(fā)。并詳細討論了驅動(dòng)中幀緩存管理、同步及數據搬運等關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現。

1 TMS320DM642DSP芯片性能特點(diǎn)

DM642^[3]是TI公司推出的一款針對多媒體處理領(lǐng)域應用的DSP，它是在C64x的基礎上，增加了很多外圍設備和接口。主要的片上外設有：三個(gè)可配置的視頻接口，可以和視頻輸入，輸出或傳輸流輸入無(wú)縫連接，VCXO 內插控制端口(VIC)， I²C總線(xiàn)模塊等。這些接口和外設使得DM642比C6416更適合處理視頻碼流。

TI針對C64x系列的DSP提出了一種類(lèi)/微型驅動(dòng)模型^[4]，這種模型在功能上將設備驅動(dòng)程序分為依賴(lài)硬件層（微型驅動(dòng)）和不依賴(lài)硬件層（類(lèi)驅動(dòng)兩層），兩層之間使用標準的接口進(jìn)行通信。類(lèi)驅動(dòng)為設備驅動(dòng)的頂層，向應用程序提供統一的API接口，是應用程序與微驅動(dòng)之間的接口。微驅動(dòng)為設備驅動(dòng)的底層，它直接處理所有外部設備的控制和初始化工作。類(lèi)、微驅動(dòng)程序的模型如圖1所示。

2 視頻采集驅動(dòng)硬件配置

本文采用類(lèi)/微驅動(dòng)模型編寫(xiě)DM642芯片視頻端口的視頻采集驅動(dòng)程序，充分利用片上的VP視頻端口^[5]和EDMA。經(jīng)過(guò)A/D轉換后的視頻數據首先緩存到視頻端口的FIFO中，FIFO寫(xiě)滿(mǎn)之后通知EDMA將這些數據按照一定的規則搬運到SDRAM中。應用程序通過(guò)類(lèi)驅動(dòng)向微型驅動(dòng)提交I/O請求，類(lèi)驅動(dòng)根據微型驅動(dòng)的返回參數實(shí)現同步I/O請求。本文詳細討論按幀采集8 bit ITU-R BT.656視頻數據驅動(dòng)的實(shí)現方法。

2.1視頻端口配置

TMS320DM642有三個(gè)可配置的視頻端口：VP0、VP1和VP2，與視頻采集芯片連接，無(wú)需外加邏輯控制電路和FIFO緩存，只需編程者編寫(xiě)相關(guān)驅動(dòng)程序，就可實(shí)現圖像采集或顯示。每個(gè)視頻端口各有20根數據輸入輸出管腳；每個(gè)端口又可以分為A和B兩個(gè)通道，分別處理一路視頻的采集或顯示；各端口又可以配置為8/10-bit ITU-R BT.656模式、8/10-bit Raw 模式、8/10-bit Y/C模式、16/20-bit Raw模式和TSI模式等。

視頻端口配置為雙通道視頻采集時(shí)，0~9bit管腳分配給通道A，10~19bit管腳分配給通道B。由于采樣后的數據按8bit量化，所以?xún)H使用每個(gè)通道的后8個(gè)管腳，即將VPxD2~9，VPxD12~19（x對應三個(gè)端口0，1，2）直接與A/D芯片的8根輸出管腳相連。輸入的PAL/NTSC模擬信號經(jīng)過(guò)視頻解碼芯片A/D后形成的數字視頻信號直接進(jìn)入相應的視頻端口中。

當采集8 bit ITU-R BT.656數據時(shí)，視頻端口接收A/D的亮度與色度的復合數據流（YUV422，稱(chēng)為packet格式：Cb,Y,Cr,Y,Cb,Y,Cr ），然后將它分解成三個(gè)單獨的數據流（planar格式），分別是Y，U，V，再將分離后的數據打包存放到各自的FIFO中。

將FIFO分成3部分，其中為亮度數據分量分配的FIFO為1280B，為每個(gè)色度數據分量分配FIFO為640B；每個(gè)FIFO都有相關(guān)的存儲器映射地址：YSRC，CBSRC和CRSRC；EDMA將使用這些地址作為數據搬運操作的源地址。每個(gè)視頻端口最多可以使用六個(gè)EDMA通道，當某個(gè)FIFO的計數器到達VCTHRLDn寄存器設置的數值時(shí)，就可以觸發(fā)相應的EDMA（增強的直接存儲器存取控制器）事件。

2.2 EDMA配置

EDMA配置是為了從FIFO搬運數據到SDRAM中，采用1D/2D傳輸，即源地址不變，而目的地址則在每次傳輸后按索引值自動(dòng)更新。我們?yōu)槊恳粓?chǎng)設置一個(gè)EDMA參數，并將這些參數連接起來(lái)，一次傳輸任務(wù)的結束會(huì )自動(dòng)從參數RAM中裝載下一次傳輸需要的參數，從而實(shí)現某些復雜數據流的傳輸。

設置時(shí)首先打開(kāi)與VP口相關(guān)的三個(gè)EDMA通道并申請12組參數RAM（hRld[0]~ hRld[11]），同時(shí)為每個(gè)通道申請一個(gè)中斷號，留給EDMA中斷服務(wù)程序使用；然后依次配置12個(gè)EDMA參數，并用hRld[0]、hRld[4]、hRld[8]三個(gè)參數初始化三個(gè)EDMA通道，準備數據搬運。

初始EDMA參數設置：數據源地址：YSRC；數據目的地址：一行起始地址；數據單元計數：一行的采樣點(diǎn)數；陣列計數：一場(chǎng)的采樣行數；陣列索引：一場(chǎng)采樣點(diǎn)數的兩倍（兩場(chǎng)按行交叉存放）；參數連接地址：下一組EDMA參數，各組參數連接關(guān)系如圖2所示。

可選參數設置：優(yōu)先級：用戶(hù)設置；數據單元子長(cháng)：32bit；1D/2D源/目的地址傳輸；源/目的地址更新模式：源地址不更新，目的地址按陣列索引更新；傳輸結束中斷：使能每幀的底場(chǎng)結束中斷，并設置中斷碼；頂場(chǎng)禁止；EDMA事件連接：使能所有EDMA參數的連接。

通過(guò)以上參數設置后三個(gè)EDMA通道分別負責從視頻端口FIFO中搬運Y、Cb和Cr三個(gè)分量到SDRAM中；EDMA每啟動(dòng)一次，從FIFO中搬運一行的采集數據到SDRAM中，并在搬運完畢后自動(dòng)更新目的地址；EDMA陣列計數值到0后啟動(dòng)參數連接，從參數RAM中裝載下一次傳輸需要的參數，若使用了傳輸結束中斷，則執行EDMA中斷服務(wù)程序。

3 視頻采集驅動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)

在視頻采集過(guò)程中，最重要的是對視頻數據進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和有效的傳輸，因此在程序設計中需要使用硬件中斷，應用程序之間要同步，在中斷服務(wù)程序中，根據視頻端口內部FIFO的狀態(tài)通過(guò)EDMA完成視頻數據的讀入SDRAM，并要考慮讀入的數據的緩存管理。

3.1中斷設置

中斷服務(wù)函數用來(lái)處理外部設備的觸發(fā)事件。對于視頻采集應用， 每采集完一幀數據將觸發(fā)EDMA中斷。

EDMA中斷設置：在中斷服務(wù)表（IST）中添加EDMA_intDispatcher（），作為EDMA中斷服務(wù)取指包（ISTP），然后使用EDMA_intHook（）將兩個(gè)亮度底場(chǎng)EDMA的傳輸結束代碼與中斷服務(wù)程序建立連接。

設置64個(gè)EDMA通道共享一個(gè)中斷號，中斷發(fā)生時(shí)，EDMA_intDispatcher（）首先檢測CIER和CIPR寄存器中的被置位的位，然后再調用由EDMA_intHook（）連接的中斷服務(wù)程序。中斷發(fā)生后，通過(guò)傳輸結束代碼進(jìn)行區分當前中斷是哪個(gè)EDMA通道觸發(fā)的。

一幀數據采集完畢后，EDMA啟動(dòng)其中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序首先檢查目前有無(wú)被掛起的請求任務(wù)，如果有，則微型驅動(dòng)將當前幀的首地址等信息打包，并調用GIO模塊的回調函數，回調函數喚醒被掛起的任務(wù)同時(shí)將該包傳遞給應用程序，實(shí)現應用程序與微型驅動(dòng)之間的同步；最后更新下一幀的EDMA目的地址，準備采集下一幀。

3.2緩存管理

微驅動(dòng)在中斷服務(wù)函數中管理幀緩沖區，視頻數據的讀入SDRAM在SDRAM中申請兩塊緩存A和B，采樣乒乓緩存的方式進(jìn)行管理。

模擬視頻輸入PAL或NTSC都是按場(chǎng)隔行掃描，因此數據可以按照場(chǎng)模式進(jìn)行存儲，即先存儲頂場(chǎng)再存儲底場(chǎng)，在存儲器中是單獨的兩場(chǎng)圖像；或者按幀模式進(jìn)行存儲，即頂場(chǎng)和底場(chǎng)按行交叉存儲，將兩場(chǎng)圖像拼成一幀圖像。

按幀模式存儲時(shí)，在SDRAM中申請兩幀緩存，得到兩幀的首地址；然后為每一幀中的每一場(chǎng)的亮度和色度分量指定存儲地址，兩場(chǎng)地址相差一個(gè)象素行，如圖3所示：首先采集頂場(chǎng)，然后采集底場(chǎng)，兩場(chǎng)按行交叉存放形成完整的一幀。

3.3同步

類(lèi)驅動(dòng)使用DSP/BIOS的GIO模塊，該模塊需提供必要的同步讀寫(xiě)API函數及其擴展函數，同時(shí)需簡(jiǎn)化代碼和使用數據緩存的大小。

應用程序通過(guò)調用GIO的API函數直接與微型驅動(dòng)交換數據。應用程序與微型驅動(dòng)同時(shí)對乒乓緩存A和B進(jìn)行處理，即應用程序對A進(jìn)行處理的同時(shí)微型驅動(dòng)將當前采集到的數據保存到B；而微型驅動(dòng)只有在采集完一幀之后才能將本緩存的控制權交給應用程序，因此應用程序與微型驅動(dòng)之間必須實(shí)現同步。應用程序、類(lèi)驅動(dòng)程序、微型驅動(dòng)程序之間的關(guān)系如圖4所示。

程序通過(guò)調用SEM旗語(yǔ)模塊實(shí)現同步。在DSP/BIOS配置工具中使用SEM_pend、SEM_post等函數配置GIO模塊的pend和post函數。應用程序通過(guò)調用GIO的API向微型驅動(dòng)申請緩存，GIO模塊將應用程序的請求信息打包并傳遞給微型驅動(dòng)，微型驅動(dòng)首先檢查當前幀是否采集完，若當前幀即將采集完畢，則微型驅動(dòng)將當前幀的地址返回給GIO模塊，否則向GIO模塊返回一個(gè)掛起信號，通過(guò)調用GIO的pend函數，將應用程序的當前任務(wù)掛起，強制其進(jìn)入阻塞狀態(tài)，等待EDMA中斷服務(wù)程序將其喚醒。

在應用程序中為了更方便的調用驅動(dòng)程序，可以將GIO的API重新封裝成更易使用的形式。對數據采集程序來(lái)說(shuō)用的最多的操作就是放棄當前幀，并從驅動(dòng)程序中獲取另一幀的控制權，同時(shí)調用此函數實(shí)現視頻同步，這些操作封裝后可以用簡(jiǎn)單的一個(gè)函數調用實(shí)現。

4 結論

在某些工程應用中僅要求對亮度分量進(jìn)行處理，此中情況下可以去掉后兩個(gè)EDMA通道，為應用程序節省更多的RAM空間。

本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：充分利用TMS320DM642的硬件資源及開(kāi)發(fā)工具，結合視頻采集驅動(dòng)的特點(diǎn)，利用類(lèi)、微驅動(dòng)模型降低系統中軟件和硬件間的耦合性。本文設計的驅動(dòng)程序可以接口不同的設備，當更換設備時(shí)，應用程序只需做很小的修改。提高了程序的可重用性和可移植性。

按此方法設計的視頻采集驅動(dòng)已用到實(shí)際的視頻壓縮編碼的工程項目中，實(shí)踐證明，采用這些方法編寫(xiě)的驅動(dòng)程序運行穩定，與應用程序可以實(shí)現無(wú)縫連接，可以為各種視頻處理算法提供了穩定的底層支持。

參考文獻

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[5] The TMS320DM642 Video Port Mini-Driver[Z],Literature Number: SPRU918A. Texas Instruments Incorporated. August 2003