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基于PCI總線(xiàn)的嵌入式實(shí)時(shí)圖像處理系統
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時(shí)間：2013-03-14
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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本文著(zhù)眼于圖像處理系統的發(fā)展要求，說(shuō)明了基于PCI總線(xiàn)的DSP圖像處理系統的優(yōu)點(diǎn)，并詳細闡明了系統的硬件結構和PCI總線(xiàn)的驅動(dòng)實(shí)現，最后介紹了系統實(shí)現的效果。
1 圖像處理系統發(fā)展現狀
在計算機信息處理及應用中，圖像信息處理以及處理結果的應用占有十分重要的地位。圖像處理的發(fā)展依賴(lài)于處理器芯片(包括單片機、DSP等)技術(shù)的應用和發(fā)展，以及大容量、價(jià)格低廉的存儲器的出現。圖像處理系統雖然由機箱式大體積結構發(fā)展為插卡式小型化結構，但是由于圖像處理存在大量的數據信息，在實(shí)時(shí)性和容量上一般不能滿(mǎn)足多數需要實(shí)時(shí)處理的場(chǎng)合。這主要體現在如下2個(gè)方面。
1.1 實(shí)時(shí)性要求
圖像處理系統有很多種實(shí)現方法，比如在通用計算機上用軟件實(shí)現、用單片機實(shí)現、利用特殊用途的DSP芯片來(lái)實(shí)現等。但這些實(shí)現方法都有著(zhù)缺點(diǎn)，例如軟件實(shí)現速度太慢，不能用于實(shí)時(shí)系統;單片機采用的是馮·諾依曼總線(xiàn)結構，而且乘法運算速度太慢;如果用特殊用途的DSP芯片又缺乏靈活性，而且開(kāi)發(fā)工具不是很完善。
在本系統中，圖像處理系統是在通用計算機上加入DSP加速卡來(lái)實(shí)現。利用DSP芯片的高速處理特性完成大部分的圖像處理工作，計算機只是作為輔助操作和存儲系統。這種方法發(fā)揮了DSP的高速性能又具有相當大的靈活性的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)工具比較完善。
實(shí)現實(shí)時(shí)性要求還必須有足夠的傳輸速度，PCI總線(xiàn)速度最高可達132MB/s，這是其他總線(xiàn)無(wú)法比擬的速度，如ISA總線(xiàn)速度只有5MB/s。
1.2 小型化要求
現今圖像處理應用越來(lái)越趨于小型化系統，趨向于把整個(gè)處理系統集成在一個(gè)小"黑盒子"里面，甚至于一塊電路板上。這就要求圖像處理系統具有高速度、高集成度的處理芯片來(lái)完成原本需要許多部件合作完成的任務(wù)。DSP的中央處理器特性使得可以把眾多的功能集于一身，并通過(guò)外部擴展來(lái)實(shí)現復雜的功能，實(shí)現系統的小型化。
另外，視頻數據一個(gè)很大的特點(diǎn)就是大容量性，這是與音頻數據最大的區別之一。對于大容量數據的實(shí)時(shí)處理不但需要高速的CPU，還需要能擴展的大容量存儲空間。在通用計算機上用軟件實(shí)現時(shí)，其存儲空間由計算機的存儲空間決定，其擴展性能受到了限制;同時(shí)單片機的擴展空間有限。它們都無(wú)法滿(mǎn)足視頻數據的大容量要求。
本文正是著(zhù)眼于實(shí)時(shí)性和小型化要求這兩方面問(wèn)題，設計了用DSP加速卡實(shí)現的圖像采集系統。利用DSP芯片的高速處理特性完成大部分的圖像處理工作，上位機只完成輔助操作和存儲系統。這種方法發(fā)揮了DSP的高速性能又具有相當大的靈活性，而且開(kāi)發(fā)工具比較完善。另外，PCI總線(xiàn)速度最高可達528MB/s(66MHz、64位)，這是其他總線(xiàn)無(wú)法比擬的速度。系統中C6000系列中DSP的可擴展存儲空間高達1GB，這完全可以滿(mǎn)足一般圖像處理系統的需要。
2 DSP圖像處理系統結構
本系統采用TI公司C6000系列DSP中的TMS320C6211作為系統的CPU。圖像數據通過(guò)視頻頭輸入模擬圖像信號，這些信號經(jīng)過(guò)視頻解碼芯片進(jìn)行A/D轉換為數字信號，經(jīng)FIFO輸入DSP進(jìn)行圖像的增強、分割、特征提取和數據壓縮等，然后輸出信號經(jīng)PCI解碼芯片轉換為符合PCI總線(xiàn)規范的標準信號，通過(guò)PCI總線(xiàn)接口傳到上位機。
本系統設計目的是用于智能樓宇的管理，主要實(shí)現對樓宇一些重要參數的實(shí)時(shí)檢測功能等。當然可以用于其他的監控系統，其硬件系統基本一致，不同的在于軟件功能的區別。系統結構圖如圖1。 
從圖1可以看出，整個(gè)系統可分為3個(gè)模塊: DSP圖像處理模塊，視頻解碼模塊，PCI總線(xiàn)模塊。下面分別介紹這3個(gè)模塊的實(shí)現過(guò)程和功能。
2.1 DSP圖像處理模塊
本系統選用TI公司的C6000系列DSP之中的TMS320C611作為本系統的CPU。C6000是TI公司發(fā)布的面向視頻處理領(lǐng)域的新款高速數字處理芯片，適用于移動(dòng)通信基站、圖像監控、雷達系統等需要高速度和高度智能化的應用領(lǐng)域。存儲空間選用現代公司的2片HY57V651620B作為運行過(guò)程中的存儲器(SDRAM)和AMD公司的AM29LV800B 作為啟動(dòng)時(shí)候需加載程序和參數的存儲器(FLASH)。其結構如圖2所示。圖中的HPI(Host Port Interface)為主機口;EMIF(External Memory Interface)為外部存儲器接口，兼容同步/異步方式。 
(1) TMS320C6211處理器特性及完成功能
TMS320C6211處理器由3個(gè)主要部分組成:CPU內核、外設和存儲器。它的高速性能主要體現在如下幾個(gè)方面:① TMS320C6211的存儲空間最大擴展可以達到512MB，這完全可以滿(mǎn)足各種圖像處理系統所需的內存空間，而且其最高時(shí)鐘可達167MHz，峰值性能可達1600MIPS(百萬(wàn)條指令/秒)、2400MOPS(百萬(wàn)次操作/秒)。② 并行處理結構。TMS320C6211芯片內有8個(gè)并行處理單元，分為相同的兩組，并行結構突破傳統設計使得芯片具有很高的性能。③ 芯片體系采用VelociTI結構。VelociTI是一種高性能的甚長(cháng)指令字(VLIW)結構，單指令字字長(cháng)為32bit，8個(gè)指令組成一個(gè)指令包，總字長(cháng)為256bit，即每秒鐘可以執行8條指令，同時(shí)芯片內部設置了專(zhuān)門(mén)的指令分配模塊，可以將每個(gè)256bits的指令包同時(shí)分配到8個(gè)處理單元，并由8個(gè)單元同時(shí)執行。④ 采用流水線(xiàn)操作實(shí)現高速度、高效率。TMS320C6211只有在流水線(xiàn)充分發(fā)揮作用的情況下，才能達到最高的MIPS。C6211的流水線(xiàn)分為3個(gè)階段:指令讀入、解碼和執行，總共11級。
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