基于PCI總線(xiàn)的嵌入式實(shí)時(shí)DSP圖像采集系統

摘要：以交通十字路口實(shí)時(shí)DSP圖像采集系統為例，說(shuō)明了基于PCI總線(xiàn)的DSP圖像采集系統的優(yōu)點(diǎn)，并詳細闡明了系統的硬件結構和基于VxWorks操作平臺的軟件實(shí)現，最后介紹了系統實(shí)現的效果。關(guān)鍵詞：PCI總線(xiàn) DSP VxWorks操作系統 圖像采集系統 本文從實(shí)時(shí)性和大容量?jì)煞矫娼榻B了在通用計算機上加入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。 實(shí)時(shí)性要求足夠的傳輸速度，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，如ＩＳＡ總線(xiàn)速度只有５ＭＢ／ｓ。另外，系統中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。 １ 基于ＰＣＩ總線(xiàn)的ＤＳＰ圖像采集系統 本系統主要用于路口違章車(chē)輛抓拍，包括闖紅燈抓拍、超速行駛抓拍等。通過(guò)攝像頭對車(chē)流進(jìn)行監測，當有車(chē)輛在紅燈期間越過(guò)停止線(xiàn)或在限速地段超速行駛，系統拍下車(chē)輛的行為并把數據傳送到ＤＳＰ進(jìn)行處理，然后經(jīng)ＰＣＩ總線(xiàn)把處理后的數據上傳到上位機。當然這套系統也可用于其他的監控系統，如樓宇監控等，其硬件系統基本一致，只是軟件功能有所區別。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)攝像機采集并輸出模擬圖像信號。這些信號經(jīng)視頻解碼芯片轉換為數字信號；再經(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。系統的控制邏輯由ＥＰＬＤ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）控制器實(shí)現。系統結構圖如圖１。 （１）視頻解碼芯片 系統中采集的圖像信號采用Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＳＡＡ７１１１Ａ完成Ａ／Ｄ轉換。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模擬信號或二路Ｙ／Ｃ模擬信號或二路ＣＶＢＳ信號和一路Ｙ／Ｃ信號。ＳＡＡ７１１１Ａ對攝像頭輸入的標準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ＩＤＴ公司的ＩＤＴ７２Ｖ２１５ＬＢ芯片，ＦＩＦＯ的深度為５１２%26;#215;１８ｂｉｔ，支持ＳＴＡＮＤＡＲＤ（標準）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，當按行輸出時(shí)，ＳＡＡ７１１１Ａ輸出數據流大小為：７２０%26;#215;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%26;#215;１６ｂｉｔ的數據在兩片ＦＩＦＯ中存儲變?yōu)椋常叮?26;#215;３２ｂｉｔ。兩片ＦＩＦＯ可以滿(mǎn)足上述要求。ＦＩＦＯ的初始化及時(shí)序由ＥＰＬＤ實(shí)現。（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)域的新款高速數字處理芯片，適用于移動(dòng)通信基站、圖像監控、雷達系統等對速度要求高和高度智能化的應用領(lǐng)域。存儲空間分兩部分：運行過(guò)程的臨時(shí)數據存在Ｗｉｎｂｏｎｄ公司的兩片１２８Ｍｂｉｔ的Ｗ９８１２１６ＢＨ中；系統程序則固化在ＦＬＡＳＨ存儲器中，該存儲器選用ＡＭＤ公司生產(chǎn)的８Ｍｂｉｔ的ＡＭ２９ＬＶ８００Ｂ。Ｆｌａｓｈ存儲器具有在線(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。ＤＳＰ處理模塊結構如圖２所示。圖２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／異步傳輸方式。 ＴＭＳ３２０Ｃ６２１１ ＤＳＰ的高速性能主要體現在以下方面：①ＴＭＳ３２０Ｃ６２１１的存儲空間最大可擴展到１ＧＢ，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２００ＭＨｚ，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，并行結構大大提高芯片的性能。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。ＶｅｌｏｃｉＴＩ結構大大提高了ＤＳＰ芯片的性能。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，才能達到最高的峰值性能。與其他系列ＤＳＰ相比，優(yōu)勢在于簡(jiǎn)化了流水線(xiàn)的控制以消除流水線(xiàn)互鎖，并增加流水線(xiàn)的深度來(lái)消除傳統流水線(xiàn)的取指、數據訪(fǎng)問(wèn)和乘法操作上的瓶頸。 本系統ＤＳＰ主要完成從ＦＩＦＯ讀出數據的處理以及壓縮等。數據處理由自行編寫(xiě)的算法實(shí)現，數據壓縮算法采用ＪＰＥＧ（Ｊｏｉｎｔ Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｉｃ Ｅｘｐｅｒｔ Ｇｒｏｕｐ）標準。當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。如果考慮系統有一定的延時(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４８Ｍ（０．０３%26;#215;１６００ＭＩＰＳ）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 )收到系統的幀中斷，這時(shí)ＳＤＲＡＭ中的圖像數據總共有１４４０%26;#215;５７６＝８１０ＫＢ。讓?zhuān)茫叮玻保庇茫常叮蜅l指令周期的時(shí)間處理８１０ＫＢ的數據顯然綽綽有余。粗略的計算過(guò)程如下： 系統采用快速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；對于編碼部分，假設編碼后非０元素占２５％，對每８%26;#215;８矩陣進(jìn)行Ｚｉｇ－Ｚａｇ掃描、編碼估計需要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。按以上計算，在系統中進(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)）?？梢钥闯?，實(shí)際需要的指令遠小于３６Ｍ條，而時(shí)間也遠小于３０ｍｓ，ＤＳＰ完全可以實(shí)時(shí)處理從ＦＩＦＯ傳過(guò)來(lái)的數據。 （３）ＰＣＩ總線(xiàn)模塊 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。本系統采用ＴＩ公司的ＰＣＩ２０４０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。其邏輯結構如圖３所示。 ＰＣＩ２０４０是ＴＩ公司設計的專(zhuān)門(mén)用來(lái)完成Ｃ５０００系列和Ｃ６０００系列ＤＳＰ與ＰＣＩ總線(xiàn)進(jìn)行接口的專(zhuān)用芯片。ＰＣＩ２０４０符合ＰＣＩ局部總線(xiàn)２．２規范，能夠方便地實(shí)現ＰＣＩ總線(xiàn)與ＴＭＳ３２０Ｃ５４Ｘ或ＴＭＳ３２０Ｃ６Ｘ ＤＳＰ的ＨＰＩ接口的無(wú)縫連接。ＰＣＩ２０４０可以兼容３．３Ｖ和５Ｖ，以適應不同的ＰＣＩ總線(xiàn)電壓。ＰＣＩ２０４０與Ｃ６２１１之間不需要信號的電平轉換，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(xiàn)電壓。ＰＣＩ２０４０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，便于對配置參數修改和升級。當系統啟動(dòng)時(shí)，存儲在ＡＴ２４Ｃ０８Ａ的數據下載到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中的相應信號相連。即ＰＣＩ２０４０可以同時(shí)與四片ＤＳＰ接口。 ２ 系統的軟件設計 本軟件系統包括兩部分，即底層軟件和系統軟件。 底層軟件主要是ＤＳＰ圖像處理算法以及啟動(dòng)等運行程序。這些程序主要在ＣＣＳ環(huán)境下由Ｃ語(yǔ)言編寫(xiě)并進(jìn)行匯編優(yōu)化。ＣＣＳ即Ｃｏｄｅ Ｃｏｍｐｏｓｅｒ Ｓｔｕｄｉｏ，是ＴＩ公司發(fā)布的ＤＳＰ軟件運行環(huán)境。 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。當然這對于不同的系統軟件可能難度各異。若在Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統下，可以充分利用Ｗｉｎｄｏｗｓ的窗口特性：一方面，因為Ｗｉｎｄｏｗｓ技術(shù)成熟，軟件編寫(xiě)相對比較簡(jiǎn)單；另一方面，在Ｗｉｎｄｏｗｓ平臺下，ＰＣＩ驅動(dòng)無(wú)需開(kāi)發(fā)，可以直接利用Ｗｉｎｄｏｗｓ的ＰＣＩ驅動(dòng)程序實(shí)現圖像卡的驅動(dòng)。但是Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統比較龐大，而且無(wú)法依照系統的需要進(jìn)行自由裁減，不適合做成嵌入式系統。這里主要闡述在ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統下的軟件設計方法。 相對于Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統，ＶｘＷｏｒｋｓ的優(yōu)點(diǎn)表現在：①ＶｘＷｏｒｋｓ系統具有較好的可裁減性，可裁剪的組件超過(guò)８０個(gè)，用戶(hù)可根據自己系統的功能目標通過(guò)交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境方便地配置；②ＶｘＷｏｒｋｓ支持應用程序的動(dòng)態(tài)鏈接和動(dòng)態(tài)下載，開(kāi)發(fā)者省去了每次調試都將應用程序與操作系統內核進(jìn)行鏈接和下載的步驟，縮短了編輯／調試周期；③ＶｘＷｏｒｋｓ具有較好的兼容性，它是最早兼容ＰＯＳＩＸ１００３．１ｂ標準的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統之一；④ＶｘＷｏｒｋｓ具有很高的可靠性和穩定性；⑤ＶｘＷｏｒｋｓ具有很好的實(shí)時(shí)性，實(shí)時(shí)性的強弱以完成規定功能和做出響應時(shí)間的長(cháng)短來(lái)衡量。ＶｘＷｏｒｋｓ的多任務(wù)機制對任務(wù)的控制采用了優(yōu)先級搶占（Ｐｒｅｅｍｐｔｉｖｅ Ｐｒｉｏｒｉｔｙ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ）和輪轉調度（Ｒｏｕｎｄ－Ｒｏｂｉｎ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ）機制。這充分保證了可靠的實(shí)時(shí)性，使同樣的硬件配置能滿(mǎn)足更強的實(shí)時(shí)性要求，為應用的開(kāi)發(fā)留下更大的余地。 為闡明如何在ＶｘＷｏｒｋｓ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。ＰＣＩ設備有三種物理存儲空間：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?眼１?演。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。 基地址寄存器最重要的功能是分配ＰＣＩ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”。ＰＣＩ設備的驅動(dòng)過(guò)程主要包括下面幾個(gè)步驟： 首先，ＰＣＩ設備的查找。在嵌入式操作系統中一般提供相應的ＡＰＩ函數查找。在ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統中通過(guò)函數ｐｃｉＦｉｎｄＤｅｖｉｃｅ(ＰＣＩ＿ＶＥＮＤＯＲ＿ＩＤ,ＰＣＩ＿ＤＥＶＩＣＥ,ｉｎｄｅｘ, ＆ｐｃｉＢｕｓ, ＆ｐｃｉＤｅｖｉｃｅ，＆ｐｃｉＦｕｎｃ_可以找到供應商代碼為ＰＣＩ＿ＶＥＮＤＯＲ＿ＩＤ、設備標識為ＰＣＩ＿ＤＥＶＩＣＥ的第ｎ（ｉｎｄｅｘ＋１）個(gè)設備，并且返回總線(xiàn)號、設備號以及功能號，分別保存于＆ｐｃｉＢｕｓ、＆ｐｃｉＤｅｖｉｃｅ、＆ｐｃｉＦｕｎｃ中。 其次，ＰＣＩ設備的配置。通過(guò)操作系統提供的ＡＰＩ函數訪(fǎng)問(wèn)ＰＣＩ設備的配置空間，配置ＰＣＩ設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的存儲器空間和Ｉ／Ｏ地址空間映射、設備的中斷號等。在ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統中訪(fǎng)問(wèn)ＰＣＩ設備配置空間的ＡＰＩ函數有ｐｃｉＣｏｎｆｉｇＯｕｔＬｏｎｇ、ｐｃｉＣｏｎｆｉｇＩｎＬｏｎｇ等，它們分別完成對ＰＣＩ設備配置空間的讀寫(xiě)操作。 然后，根據ＰＣＩ設備的配置參數，對不同的設備編寫(xiě)初始化程序、中斷服務(wù)程序以及對ＰＣＩ設備存儲空間的訪(fǎng)問(wèn)程序。 很顯然，用ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統實(shí)現雖然有一定的難度，但是系統具有很大的靈活性，系統比較小、適應性強，并且可以在工業(yè)控制計算機上運行。 圖像采集系統的關(guān)鍵在于如何對大容量的信息進(jìn)行暫存、壓縮和傳輸等問(wèn)題進(jìn)行處理。本系統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存儲空間的可擴展性，保證了系統可暫存的信息量足夠大；信息壓縮是ＤＳＰ最擅長(cháng)做的事情，可以在很短的時(shí)間內完成大量的信息壓縮工作；ＰＣＩ總線(xiàn)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操作系統實(shí)現使得系統具有良好的靈活性和適應性，并大大降低了系統的成本。 linux操作系統文章專(zhuān)題:linux操作系統詳解（linux不再難懂）