并行外圍接口在紅外視頻處理通用模塊中的應用研究

　　紅外視頻處理系統是典型的實(shí)時(shí)信號處理系統，具有數據吞吐量大和運算密集度高的特點(diǎn)，一般由通用DSP實(shí)現復雜的視頻處理算法。目前高端通用DSP的主頻已達到600 MHz以上，內部集成多個(gè)運算單元，運算能力可以滿(mǎn)足大多視頻處理算法的要求。但是一般的通用DSP只有一條數據總線(xiàn)，數據吞吐能力低，必須在DSP外部進(jìn)行數據輸入緩沖和輸出緩沖，需要DSP內核參與整個(gè)數據吞吐過(guò)程，這就大大削弱了DSP的運算能力，同時(shí)增加了系統構架的復雜度，因此，數據吞吐成為基于通用DSP的紅外視頻處理系統的最大瓶頸。

　　Blackfin系列DSP專(zhuān)門(mén)針對高速數據吞吐集成了并行外圍接口（PPI），在傳統的數據總線(xiàn)的基礎上增加了一條數據吞吐通道。PPI接口：1）能以最高66 MHz 的頻率接收數據，以最高60 MHz 的頻率輸出數據；2）不再需要額外的數據輸入/輸出緩沖，直接連接高速AD/DA輸入輸出數據；3）能夠輸入或輸出ITU-R601/656 格式和帶行場(chǎng)同步時(shí)鐘的RGB格式的數字視頻。使用PPI接口輸入輸出數據，輔以強大的DMA流量控制和高速SDRAM，使BlackfinDSP的內核獨立于數據吞吐過(guò)程，充分發(fā)揮其密集運算能力，并簡(jiǎn)化了系統構架，在紅外視頻處理通用模塊中取得了良好的應用。

　　紅外視頻處理通用模塊數據吞吐分析

　　一個(gè)通用的紅外視頻處理流程如圖1所示，利用高速AD采集探測器輸出的模擬信號，形成原始視頻數據流，再經(jīng)過(guò)視頻處理單元的實(shí)時(shí)視頻處理，以特定的視頻格式高速輸出。

　　紅外視頻處理過(guò)程是一個(gè)高速數據吞吐和密集運算的并發(fā)過(guò)程。當視頻處理算法復雜時(shí)，視頻處理單元多由高性能通用DSP構成。DSP接收AD輸出的原始視頻數據是數據寫(xiě)入的過(guò)程，DSP輸出處理后視頻是數據讀出的過(guò)程，DSP進(jìn)行視頻處理運算至少需要一次數據讀出和一次數據寫(xiě)入，因此數據寫(xiě)入、數據讀出和中間的視頻處理三者同時(shí)進(jìn)行，至少包含兩次數據讀和兩次數據寫(xiě)。一般的通用DSP只有一條數據總線(xiàn)，無(wú)法并行進(jìn)行數據吞吐和視頻處理運算，所以通常在高速AD和DSP之間、在DSP和視頻輸出單元之間，增加FIFO、雙口RAM或雙片SRAM 輪換，構成數據緩沖環(huán)節，由DSP內核控制數據緩沖過(guò)程。這使得系統構架變得非常復雜，而且數據緩沖過(guò)程占用了DSP內核進(jìn)行數據運算的時(shí)間，大大降低了DSP的效率。

　　本文基于A(yíng)nalog Device公司Blackfin系列BF561型通用DSP，利用其特有的PPI接口，提出一種紅外視頻處理通用模塊的構架，省略了數據緩沖環(huán)節，使數據吞吐過(guò)程獨立于DSP內核，基本不占用DSP進(jìn)行數據運算的時(shí)間，充分發(fā)揮了DSP密集運算的優(yōu)勢。系統構架如圖2所示。

　　BF561 內部集成了兩個(gè)完全相同的BlackfinDSP內核，共有兩個(gè)PPI接口，分別與高速AD和視頻輸出單元直接接口。原始視頻數據、最終輸出的視頻數據和視頻處理的中間數據，全部存儲在高速SDRAM中。通過(guò)4 條獨立的DMA通道和BlackfinDSP特有的DMA流量控制，共享SDRAM高達133MHz×16位的帶寬。DSP內核只需要初始化DMA的工作參數，具體的數據吞吐由DMA控制器獨立完成，不再需要DSP內核干預。為進(jìn)一步縮短數據等待時(shí)間，提高DSP的運算效率，所有的數據讀寫(xiě)都設置為帶流量控制的乒乓操作，實(shí)現了在DMA吞吐數據的同時(shí)進(jìn)行視頻處理運算，最大程度上發(fā)揮了DSP的密集運算能力。

　　PPI接口配置

　　PPI接口是一種可以配置成8～16 位數據寬度的多功能并行同步準雙向接口，包括三條同步信號線(xiàn)和一個(gè)連接到外部時(shí)鐘的時(shí)鐘線(xiàn)，通過(guò)修改相應的寄存器設置PPI接口各種工作模式。

　　PPI與高速AD硬件接口

　　如圖3 所示，以CPLD或FPGA實(shí)現控制時(shí)序，為高速AD和PPI_1 提供數據時(shí)鐘，根據探測器輸出的行同步時(shí)鐘和場(chǎng)同步時(shí)鐘，經(jīng)過(guò)一定變換，提供給PPI接口，通過(guò)DMA，PPI接口根據三個(gè)時(shí)鐘信號將AD輸出的8～16位數據寫(xiě)入SDRAM。本接口支持8～16 位并行輸出的高速AD（例如AD9240），數據時(shí)鐘最高66 MHz。

　　PPI與視頻輸出單元硬件接口

　　如圖4 所示，通過(guò)DMA，PPI_2 讀取SDRAM內的視頻數據，根據數據時(shí)鐘，以ITU-R656 格式，輸出到模擬視頻編碼器（例如ADV7171），以PAL或NTSC 制式輸出到監視器。

　　PPI接口寄存器設置

　　PPI接口可以設置為ITU-R656 輸入模式，ITU-R656 輸出模式，通用輸入模式和通用輸出模式。每種工作模式中又可以設置數據寬度，同步時(shí)鐘工作方式和數據打包/解包等多種工作條件。通過(guò)寫(xiě)PPI_CONTROL、PPI_DELAY 和PPI_COUNT 三個(gè)寄存器設置PPI接口的工作模式。

　　PPI接口控制寄存器：PPI_CONTROL

　　PPI接口控制寄存器各位功能定義如圖5 所示，與高速AD輸入和視頻輸出相關(guān)的設置如下，

　　1）設置同步時(shí)鐘極性和設置數據時(shí)鐘極性：FS1FS2polarity，DatAclk polarity 選擇同步時(shí)鐘和數據時(shí)鐘上升沿或是下降沿有效。

　　2）設置數據寬度：DatAbuswidth 設置數據總線(xiàn)寬度，最小8 位，最大16 位。

　　3）設置數據打包/解包模式：Packing modeenable設置是否使能數據打包/解包模式，若使能，當PPI接口處于8 位輸入模式，則將輸入的兩個(gè)8 位數據打包為1 個(gè)16 位數據存儲；當PPI接口處于8 位輸出模式，則將1 個(gè)16 位數據按低位在前高位在后的順序解包輸出；當PPI接口為8 位數據寬度，數據打包/解包模式能夠降低1 倍數據存儲空間和降低1倍數據輸入帶寬。

　　4）設置同步時(shí)鐘工作模式：Portconfiguration選擇輸入或輸出模式下同步時(shí)鐘工作模式，與高速AD接口輸入原始視頻數據需要兩個(gè)同步時(shí)鐘，與模擬視頻編碼器接口輸出ITU-R656格式數字視頻，不需要同步時(shí)鐘。

　　5）設置輸入或輸出子模式：Transfer type與高速AD接口輸入原始視頻數據時(shí)，使用通用輸入工作模式；與視頻輸出單元接口輸出視頻數據，使用不帶同步時(shí)鐘的輸出工作模式。

6）選擇輸入或輸出方向：Port direction與高速AD接口輸入原始視頻數據時(shí)，選擇輸入模式；與視頻輸出單元接口輸出視頻數據，選擇輸出模式。

　　7）啟動(dòng)PPI接口：EnablePPI啟動(dòng)PPI接口后，在輸入模式時(shí)，當PPI接口接收到正確的同步時(shí)鐘信號才開(kāi)始輸入數據；在輸出模式時(shí)，當相應的同步時(shí)鐘開(kāi)始工作后才開(kāi)始輸出數據。

　PPI接口延遲寄存器：PPI_DELAY

　　在行同步時(shí)鐘有效后，延遲PPI_DELAY 個(gè)數據時(shí)鐘，PPI接口開(kāi)始輸入或輸出行像素。

　　PPI接口計數寄存器：PPI_COUNT

　　在行同步時(shí)鐘有效期內，PPI接口輸入或輸出PPI_COUNT 個(gè)行像素。

　　PPI接口DMA設置

　　DMA流量控制

　　DSP內核設置PPI接口DMA的初始工作參數后，由DMA控制器獨立完成PPI接口讀取和寫(xiě)入SDRAM的操作。SDRAM數據總線(xiàn)帶寬為133 MHz×16 位，但只有一條數據總線(xiàn)，并且紅外視頻處理過(guò)程中數據寫(xiě)入、數據讀出和中間的視頻處理三者需要同時(shí)進(jìn)行，至少包含兩次數據讀和兩次數據寫(xiě)。如果按時(shí)間進(jìn)程單任務(wù)線(xiàn)性安排PPI接口DMA讀寫(xiě)SDRAM的操作，不能充分利用SDRAM的帶寬，無(wú)法完成并發(fā)讀寫(xiě)SDRAM 的要求。為了充分利用SDRAM 的帶寬，必須使用BlackfinDSP特有的DMA流量控制。

　　采用DMA流量控制時(shí)，DMA控制器首先分析所有使能的DMA通道，提高與正在運行的DMA的讀寫(xiě)方向一致的DMA通道的優(yōu)先級，例如當前DMA正在讀SDRAM，那么所有讀SDRAM 的DMA均比寫(xiě)SDRAM 的DMA的優(yōu)先級高，所有讀SDRAM 的DMA按固有優(yōu)先級排列次序。以預置的流量時(shí)隙為周期（例如10 字節），按133 MHz的最大速度，每次發(fā)讀10 字節數據到當前DMA通道的FIFO 內，輪換到下一個(gè)DMA通道。當所有讀SDRAM 的DMA執行完一遍后，輪換到寫(xiě)SDRAM 的DMA，執行相同過(guò)程。這樣，降低了改變SDRAM 讀寫(xiě)方向耗費的時(shí)間，同時(shí)每個(gè)使能的DMA通道在設定的周期內都以最大速度輪換執行了一遍，保證了一定時(shí)間內對SDRAM 的并發(fā)讀寫(xiě)操作，充分利用了SDRAM 接口的最大帶寬。

　　乒乓操作

　　由于紅外視頻處理過(guò)程中數據寫(xiě)入、數據讀出和中間的視頻處理三者同時(shí)進(jìn)行，所以當前DMA讀取或寫(xiě)入的數據，就是DSP內核或其他DMA已經(jīng)寫(xiě)入或將要讀取的數據，這是一個(gè)級聯(lián)的因果系統。如果當前DMA正在讀寫(xiě)的數據在時(shí)間或因果關(guān)系上與DSP內核或其他DMA發(fā)生沖突，就會(huì )導致數據等待或數據錯誤。

　　為降低數據等待時(shí)間并避免因果錯誤，對每個(gè)DMA操作，在目標存儲區內都開(kāi)辟兩個(gè)緩沖區，設為BufferA和BufferB。當前DMA正在操作的設為BufferA，這是獨占性操作，不允許其他DMA或DSP內核訪(fǎng)問(wèn)。當前DMA已經(jīng)操作完畢的設為BufferB，開(kāi)放給其他DMA或DSP內核訪(fǎng)問(wèn)。當前DMA操作在BufferA和BufferB之間切換，通過(guò)信號量標志獨占區和開(kāi)放區，于是在任一時(shí)間，當前DMA都有一個(gè)可供其他DMA或DSP內核訪(fǎng)問(wèn)的區域，這樣就降低了數據等待時(shí)間，并避免了因果錯誤。

　　結 論

　　本文在介紹了PPI接口性能特點(diǎn)的基礎上，提出了一種紅外視頻處理通用模塊的構架，省略了數據緩沖環(huán)節，使數據吞吐過(guò)程獨立于DSP內核，提高了DSP的運算效率。