基于PCI總線(xiàn)的嵌入式實(shí)時(shí)圖像處理系統
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DSP完成的功能主要是對從FIFO讀入的數據進(jìn)行處理，包括依照程序進(jìn)行識別、特征提取以參數檢測等。當視頻頭采集速度為每秒25幀圖像時(shí)，它留給DSP處理的時(shí)間最多為每幀40ms，如果考慮系統中一定的延時(shí)以及處理后圖像的存儲時(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內可以處理36M條指令。DSP讀出FIFO中的行數據并存入SDRAM，一幀圖像有576行，在最后一行時(shí)會(huì )收到幀中斷，這時(shí)SDRAM中的圖像數據總共有1440×576＝810KB。讓C6211用36M條指令的時(shí)間處理810K的數據是綽綽有余。
(2) SDRAM存儲器
HY57V651620B是現代公司發(fā)布的128Mb SDRAM，支持分頁(yè)尋址，訪(fǎng)問(wèn)速度為7.5ns，與DSP系統同步工作，但因為DSP工作在150MHz，故系統中SDRAM工作在DSP時(shí)鐘的一半或者2/3，即75MHz或者100MHz。當工作在100MHz時(shí)候，SDRAM在時(shí)序上需要一些特殊的控制，不是簡(jiǎn)單的與DSP同步。SDRAM主要在系統運行過(guò)程中存儲臨時(shí)數據和處理結果。系統中共有256Mb的存儲空間，其消耗情況視啟動(dòng)程序和圖像處理程序的大小而定。
(3) FLASH存儲器
AM29LV800B是AMD公司發(fā)布的8Mb FLASH芯片，同樣支持分頁(yè)尋址，工作在異步方式。啟動(dòng)程序固化在FLASH芯片中。當系統加電啟動(dòng)時(shí)，FLASH中的程序下載到DSP的SDRAM中運行。FLASH具有在線(xiàn)重寫(xiě)入功能，這對系統啟動(dòng)程序的修改和升級都帶來(lái)了很大的方便。
2.2 視頻解碼模塊
本系統視頻A/D采用的是Philips公司的SAA7111A作為視頻解碼芯片，SAA7111A可以提供四路模擬視頻輸入，具有兩個(gè)模擬處理通道，支持四路CVBS模擬信號或二路Y/C模擬信號或(2×CVBS和1×Y/C)。SAA7111A對視頻頭輸入的標準PAL格式的模擬圖像信號進(jìn)行A/D轉換，然后輸出符合CCIR601建議格式的4:2:2的16位YUV數據到FIFO，其中亮度信號Y為8位、色度信號Cr和Cb合為8位數據。FIFO采用的是IDT公司的IDT72V215LB芯片，深度為512×18。按照CCIR601標準，YUV圖像分辨率為720×576，那么按行輸出時(shí)，SAA7111A輸出數據流大小為:720×16＝1440bit。因為DSP通過(guò)32位的SBSRAM接口與FIFO通信，故YUV數據寫(xiě)入FIFO時(shí)需要在FIFO之間實(shí)現乒乓切換，這時(shí)一行720×16的數據在兩片FIFO中存儲變?yōu)?60×32。
2.3 PCI通信模塊
PCI(Peripheral Component Interconnect，外圍組件接口)它既可以作為中間層的總線(xiàn)也可以作為周邊總線(xiàn)系統使用。與其他普通總線(xiàn)規范相對照，PCI總線(xiàn)為高速I(mǎi)/O設備提供了更好的支持，比如可以很好的支持圖像適配器、網(wǎng)絡(luò )接口控制器、磁盤(pán)控制器等?，F行的標準允許在33MHz下使用64根數據線(xiàn)，傳輸速率可達2.12Gbps。并且PCI總線(xiàn)支持線(xiàn)性突發(fā)的數據傳輸模式，可確?？偩€(xiàn)不斷滿(mǎn)載數據，因此能有效利用總線(xiàn)帶寬。另外，PCI總線(xiàn)還具有低延時(shí)的隨機存取特性，對從總線(xiàn)上的主控寄存器到從屬寄存器的寫(xiě)延時(shí)為60ns。
PCI總線(xiàn)規范吸引人的地方不僅是其高速度，更在于它適應了現代I/O設備對系統的要求，對PCI擴展卡及器件能進(jìn)行全自動(dòng)配置，并且只需很少的接口邏輯就可以實(shí)現并支持其他總線(xiàn)系統。
TMS320C6211的HPI口不支持PCI總線(xiàn)的無(wú)縫接口。本系統中采用TI公司的PCI2040來(lái)實(shí)現DSP的HPI與PCI總線(xiàn)的連接。DSP處理后的數據經(jīng)HPI口輸出到PCI2040進(jìn)行解碼，然后輸出到PCI總線(xiàn)上。其邏輯結構圖如圖3所示。
在本系統中，PCI2040上存在2種電壓:5V和3.3V，其中3.3V是HPI口電壓，而5V是PCI總線(xiàn)電壓。PCI2040在啟動(dòng)時(shí)需要對其PCI總線(xiàn)寄存器和HPI寄存器參數進(jìn)行預加載。系統中PCI解碼模塊包括一塊配置ROM--AT24C08A，屬于EEPROM型ROM，便于對配置參數的修改和升級。當系統啟動(dòng)時(shí)，存儲在A(yíng)T24C08A的數據被下載到PCI2040的寄存器中并進(jìn)行配置。
圖中/HINT[3:0]、/HCS[3:0]、HRDY[3:0]、HRST[3:0]分別與4片DSP中的相應信號相連，即PCI2040可以同時(shí)與4片DSP接口。
3 PCI總線(xiàn)驅動(dòng)實(shí)現方法
在系統軟件方面，基于PCI總線(xiàn)的圖像處理系統面臨的難點(diǎn)頗多，其中難度最大的是PCI驅動(dòng)問(wèn)題。
為闡明如何在Windows操作系統下實(shí)現PCI總線(xiàn)的驅動(dòng)，還需了解PCI設備的配置空間系統。PCI設備有3種物理存儲空間:配置空間、存儲器空間和I/O空間。配置空間是長(cháng)度為256字節的一段連續空間，空間的定義如圖4。在配置空間中只讀空間有設備標識、供應商代碼、修改版本、分類(lèi)代碼以及頭標類(lèi)型。其中供應商代碼用來(lái)標識設備供應商的代碼;設備標識用來(lái)標識某一特殊的設備;修改版本標識設備的版本號;分類(lèi)代碼用來(lái)標識設備的種類(lèi);而頭標類(lèi)型用來(lái)標識頭類(lèi)型以及是否為多功能設備。除供應商代碼之外，其他字段的值由供應商分配?；刂芳拇嫫髯钪匾墓δ苁欠峙銹CI設備的系統地址空間。在基地址寄存器中bit0(最低位)用來(lái)標識存儲器空間還是I/O地址空間，基地址寄存器映射到存儲器空間時(shí)bit0為“0”，映射到I/O地址空間時(shí)bit0為“1”。
3.1 Windows環(huán)境下驅動(dòng)程序
驅動(dòng)程序可以理解為一系列控制硬件設備的函數。在Windows操作系統中，封裝驅動(dòng)程序的方法是制作一個(gè)DLL或VxD。當硬件是非標準設備時(shí)，必須針對特定的硬件來(lái)設計Windows環(huán)境下的設備驅動(dòng)程序。
在DOS操作系統，對于一個(gè)應用程序而言它總認為自己是唯一運行的程序，因此應用程序可以直接訪(fǎng)問(wèn)硬件，獨占所有的系統內存以及系統運行時(shí)間，當然也就不需要設備驅動(dòng)程序。但到了Windows操作系統，系統中同時(shí)可能有若干個(gè)應用程序在運行，這就使得系統不可能讓它隨意的直接訪(fǎng)問(wèn)硬件，否則就會(huì )引起應用程序訪(fǎng)問(wèn)沖突而導致系統崩潰。為解決這一問(wèn)題，人們提出將系統的資源虛擬化，讓?xiě)贸绦蜻\行在一個(gè)虛擬定環(huán)境中的虛擬機(VM)上，而管理程序和驅動(dòng)程序運行在實(shí)際機器上(Ring0級)，由它們來(lái)處理針對硬件的操作。虛擬資源是硬件(甚至軟件)資源的仿真，當系統虛擬了所有或者幾乎所有的程序可以訪(fǎng)問(wèn)的資源時(shí)，它就創(chuàng )造了一個(gè)“虛擬機”(VM)。Windows虛擬機完全透明的仿真了以下資源和性能:
(1) 可訪(fǎng)問(wèn)的內存空間
(2) I/O操作
(3) 中斷操作
(4) 外圍設備(顯示器、鍵盤(pán)等)
如此以來(lái)，Windows應用程序在Ring3級(最低級)的保護模式上運行，不能直接訪(fǎng)問(wèn)硬件，執行一個(gè)對硬件的操作就會(huì )引起一個(gè)異常事件，此時(shí)處理器切換到Ring0級，并且將控制權交給相應當控制器。所有Windows應用程序分享一個(gè)系統虛擬機。
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