【導(dǎo)讀】視頻采集技術(shù)相關(guān)的產(chǎn)品正經(jīng)歷著由模擬化向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的變革。個(gè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用愈發(fā)廣泛。目前信息產(chǎn)業(yè)中頗受關(guān)注的數(shù)字化產(chǎn)品。電子產(chǎn)品，比如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等。DSP在當(dāng)今電子類產(chǎn)品中起了不可或缺的作。TMS320DM642是TI公司于2020年左右推出的一款32位定點(diǎn)DSP芯片，主要面向數(shù)字媒體，屬于C6000系列DSP芯片。DM642保留了C64x原有的內(nèi)。核結(jié)構(gòu)，工作頻率由內(nèi)部倍頻器設(shè)置，可以達(dá)到500MHz、600MHz或720MHz，DM642采用TI公司第2代增強(qiáng)型超長指令集，它的EMIFA. DM642片上帶有3個(gè)雙通道數(shù)字視頻口，可同。DM642擁有I²C設(shè)備的寄存器，DM642的網(wǎng)口、PCI口和?；诟咚偻ㄓ靡曨l處理DSP的視頻壓縮系統(tǒng)成。為新一代網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主流。并且價(jià)格是可以接受的，采用DSP來進(jìn)行圖像的壓縮編碼是可行的。目前，以太網(wǎng)技術(shù)己無可爭議地成為主要網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。并針對(duì)DM642高速CPU，分析了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題。別問題上充分發(fā)揮了DSP的硬件結(jié)構(gòu)和具有特色的編程指令。時(shí)期的代表有美國Intel公司推出的MMX等。

　　

【正文】 足嵌入式視頻采集壓縮系統(tǒng)的特殊要求。 基于 DSP的視頻采集與壓縮傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 30 頁 共 83 頁 4 視頻采集壓縮系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)程序框架 DM642 片上有許多外圍接口，系統(tǒng)中也需要許多外圍的 硬件設(shè)備，并且上層還有相當(dāng)復(fù)雜的應(yīng)用程序，本文討論的軟件設(shè)計(jì)主要涉及引導(dǎo)裝載程序及底層驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，主要用于驗(yàn)證硬件平臺(tái)的正確性。最底層為硬件設(shè)備，包括 DM642芯片及外圍設(shè)備；中間使用了 TI 提供的片上支持庫 CSL，融合 DM642 及其外圍硬件設(shè)備；再上層為使用 DSP/BIOS 提供的設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型建立的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，設(shè)備驅(qū)動(dòng)部分支持整板硬件設(shè)備的運(yùn)行；最上層為應(yīng)用程序軟件層。使用這種程序結(jié)構(gòu)層次清晰，移植性和擴(kuò)展性都很好。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序基于開發(fā)系統(tǒng)的芯片支持庫及 DSP/BIOS 開發(fā)工具，使得開發(fā)更加簡單易行，并且減 少了錯(cuò)誤概率。 圖 14 系統(tǒng)程序架構(gòu) 基于 DSP的視頻采集與壓縮傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 31 頁 共 83 頁 DSP/BIOS 實(shí)時(shí)操作內(nèi)核與芯片支持庫 CSL DSP/BIOS 的特點(diǎn) 在以 DSP 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)圖像處理的應(yīng)用開發(fā)一般較復(fù)雜。為加快開發(fā)速度和提高程序效率，介紹了專門用于圖像應(yīng)用的 DM642 開發(fā)平臺(tái)。平臺(tái)采用 DSP/BIOS 內(nèi)核，使用 BIOS 多線程機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)圖像的實(shí)時(shí)處理。與單線程相比，提高了程序執(zhí)行效率，減少了代碼量。 DSP/BIOS 本質(zhì)上是一種可剪裁的實(shí)時(shí)內(nèi)核，在需要多任務(wù)調(diào)度和同步的實(shí)時(shí)應(yīng)用中，能加快開發(fā)，并能達(dá)到很好的性能。 BIOS 是 DSP 開發(fā)環(huán)境 CCS(Code Composer Studio)中的一個(gè)可裁剪的可搶占式實(shí)時(shí)操作內(nèi)核，而且自帶許多分析工具，可以實(shí)現(xiàn)多線程 (即多任務(wù) )間的通信和同步等問題。使用 BIOS 的優(yōu)點(diǎn)如下： （ 1） 使用 BIOS 的分析工具，可方便地獲取程序運(yùn)行情況。如通過 CPU 的執(zhí)行圖可以方便地看到用 BIOS 創(chuàng)建的內(nèi)核對(duì)象的運(yùn)行情況，以及通過統(tǒng)計(jì)工具獲得一些量化的信息等。 （ 2） 減少生成的可執(zhí)行機(jī)器代碼的大小。對(duì)于一個(gè)典型的應(yīng)用，使用 DSP的 BIOS 創(chuàng)建的多任務(wù)程序，其經(jīng)編譯連接生成的可執(zhí)行機(jī) 器代碼的大小與其它方法相比，可減少約 50%，這對(duì)于嵌入式應(yīng)用有重要意義。因?yàn)?DSP 的一級(jí)高速緩存有 32KBytes，其中程序和數(shù)據(jù)各占 16KBytes，二級(jí)緩存有 256KBytes，減少了生成代碼的大小，就可有更多的程序運(yùn)行空間，從而使執(zhí)行效率更高。 （ 3） 提高運(yùn)行效率。使用 BIOS 對(duì)象編程，由 BIOS 來調(diào)度任務(wù)，可更合理地利用資源，且在程序運(yùn)行時(shí)，可減少一些動(dòng)態(tài)對(duì)象的建立，加快程序運(yùn)行。 基于 DSP/BIOS 的程序開發(fā)流程與執(zhí)行過程 DSP/BIOS 支持交互式的程序開發(fā)流程。用戶可以首先 創(chuàng)建基本的程序框架，使用替代函數(shù)模擬 DSP 算法的 CPU 負(fù)載情況來檢驗(yàn)程序框架的正確性，在這個(gè)過程中，用戶可以很容易地改變系統(tǒng)各線程的優(yōu)先級(jí)和類型。等程序框架開發(fā)成熟后再將 DSP 算法添加到應(yīng)用程序中。 DSP/BIOS 應(yīng)用程序的開發(fā)流程包括以下步驟： （ 1） 用 DSP/BIOS 配置工具建立應(yīng)用程序要用到的對(duì)象。 基于 DSP的視頻采集與壓縮傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 32 頁 共 83 頁 （ 2） 保存配置文件，保存的同時(shí)會(huì)自動(dòng)生成在編譯和鏈接時(shí)所要包含的文件。 （ 3） 為應(yīng)用程序編寫一個(gè)框架，可使用 C/C++/匯編語言或這些語言的任意組合。 （ 4） 在 CCS 下編譯、鏈接程序直至沒有錯(cuò)誤。 （ 5） 使用軟件仿真器和硬件開發(fā)平臺(tái)原型，結(jié)合 DSP/BIOS 分析工具測試應(yīng)用程序，直至程序運(yùn)行正確且滿足實(shí)時(shí)性要求。 （ 6） 當(dāng)正式的硬件平臺(tái)開發(fā)好之后，按照新的硬件配置修改 DSP/BIOS 配置文件，重新測試，直至滿足設(shè)計(jì)要求。用戶編寫的 DSP/BIOS 應(yīng)用程序編譯后與 DSP/BIOS 實(shí)時(shí)庫鏈接到一起形成目標(biāo)文件，該目標(biāo)文件下載到目標(biāo) DSP 并開始執(zhí)行，對(duì)于 C6000 系列的 DSP，代碼的執(zhí)行順序是由 文件規(guī)定的。 DSP 芯片支持庫 (CSL)介紹 TI 公司為其 DSP 產(chǎn)品提供了 CSL 庫函數(shù)，在程序 設(shè)計(jì)過程中利用 CSL 庫函數(shù)可以方便地訪問 DSP 的寄存器和硬件資源，提供 DSP 軟件的開發(fā)效率和速度。它包含一些獨(dú)立的模塊，每個(gè)模塊與一種外圍相關(guān)，同時(shí)還有一些模塊提供通用的編程支持，如中斷請求模塊 (IRQ)包含中斷管理的用戶接口， CHIP 模塊允許對(duì)芯片進(jìn)行全局的設(shè)置。 當(dāng)前 C6000 系列 DSP 的 API 模塊有如下一些： CACHE 高速緩沖存儲(chǔ)器模塊 CSL 頂層模塊 DAT 設(shè)備獨(dú)立數(shù)據(jù)拷貝模塊 CHIP 芯片特性模塊 DMA 直接寄存器存儲(chǔ)模塊 EDMA 加強(qiáng)直接寄存器存儲(chǔ)模塊 EMIF 外部寄存器接口模塊 HPI HPI 接口模塊 IRQ 中斷控制模塊 MCBSP 多通道寄存器串行接口模塊 PWR 電源模塊 基于 DSP的視頻采集與壓縮傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 33 頁 共 83 頁 STDINC 標(biāo)準(zhǔn)引入模塊 TIMEER 計(jì)時(shí)器模塊 圖 15 DSP/BIOS應(yīng)用程序執(zhí)行過程 芯片支持使得系統(tǒng)對(duì)外圍的開發(fā)更加簡單化，對(duì)硬件進(jìn)行了提取，縮短了開發(fā)周期，標(biāo)準(zhǔn)化的代碼使得程序更易于移植和在設(shè)備間兼容。 CSL 提供以下一些功能： （ 1） 標(biāo)準(zhǔn)化的編程模式。 CSL 根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)為片上外圍設(shè)備編程。包括定義數(shù)據(jù)類型和宏來配置寄存器，定義函數(shù)來執(zhí)行一些外圍設(shè)備基本操作。 （ 2） 基本的資源管理?；?資源管理支持許多外圍設(shè)備的打開與關(guān)閉，這一功能對(duì)多通道的外圍尤為適用。 （ 3） 象征性的外圍描述。作為 CSL 的另一優(yōu)勢，它支持的是完全象征性的寄存器和寄存器空間定義，而不是專門針對(duì)于某一芯片的定義，使得代碼非常易于移植到新版本的 TI 的 DSP 芯片上面。 CSL 為兩層結(jié)構(gòu)，頂層為服務(wù)層，底層為硬件提取層。硬件提取層負(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)寄存器進(jìn)行宏定義等，為上層提供了符號(hào)接口。而頂層的服務(wù)層為用戶提供了應(yīng)用程序接口。 引導(dǎo)裝載程序的設(shè)計(jì) DSP 上電后把可執(zhí)行程序加載到 DSP 能訪問的存儲(chǔ)空間，使 DSPs 能夠正 基于 DSP的視頻采集與壓縮傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 34 頁 共 83 頁 確運(yùn)行的過 程稱為 DSP 的系統(tǒng)引導(dǎo)或者自舉 ， DM642 芯片有 3 種自舉方式（ bootmode）。 （ 1） 不加載 ： CPU 直接從存儲(chǔ)器地址 0 處開始執(zhí)行。 （ 2） RAM/FLASH 加載 ： 把外部 ROM/FLASH 中的程序拷貝到地址 0 處，傳輸完成后退出復(fù)位狀態(tài)，然后從地址 0 處開始執(zhí)行。 （ 3） 主機(jī)引導(dǎo) ： CPU 停留在復(fù)位狀態(tài) , DSP s 其余部分保持正常狀態(tài)。在此期間 , 外部主機(jī)通過主機(jī)口初始化 CPU 的存儲(chǔ)空間。主機(jī)完成所有初始化工作后，將主機(jī)口控制寄存器中的 DSP INT 位設(shè)為 1,從而結(jié)束引導(dǎo)過程， CPU 退出復(fù)位狀態(tài)，從地 址 0 處開始執(zhí)行指令。 當(dāng)應(yīng)用程序大小不超過 1K 字節(jié)時(shí)，只需采用一級(jí) Bootloader。它最主要的功能是： （ 1） 配置 DSP 的 EMIFA 控制寄存器，包括配置全局控制寄存器 (GBLCTL )和各個(gè)空間控制寄存器 (CExCTL)以及 SDRAM 的控制寄存器 (SDCTL)、時(shí)序控制寄存器 (SDTIM)和擴(kuò)展控制寄存器 (SDEXT)等。 （ 2） 從 FLASH 的第 0 頁的前半頁起始地址為 0x90000000 處開始把程序的各個(gè)段和數(shù)據(jù)拷貝到指定的存儲(chǔ)器物理地址中。 （ 3） 跳到 C 程序的入口點(diǎn) c_int00 處，建立 C 語言的運(yùn)行環(huán) 境，包括系統(tǒng)堆棧定義、初始化堆棧、初始化全局和靜態(tài)變量等，為 DSP 運(yùn)行 mian ( ) 函數(shù)做好準(zhǔn)備工作。 （ 4） DSP 從 main ( )處開始執(zhí)行應(yīng)用程序。 當(dāng)應(yīng)用程序大于 1K 字節(jié)時(shí)，需要將前 1K 的程序要做成加載器，也就是二級(jí) Bootloader，利用它把大型用戶程序從 Flash 搬入內(nèi)存。二級(jí) Bootloader 要完成兩項(xiàng)功能：第一，把用戶程序搬到指定的地址；第二，跳轉(zhuǎn)到用戶程序入口。 由于二級(jí) Bootloader 在 Flash 中的位置是 0x90000000——0x90000400，而二級(jí) Bootloader 又是放在用戶程序里的，因此，為了在編譯用戶程序時(shí)，應(yīng)該將Flash 開始的 1KB 空間配置成 Flash_Boot 空間（對(duì)應(yīng)的 IRAM 起始 1KB 空間配置成 Boot 段），專門用來存放用于二次加載的二級(jí) Bootloader， 1KB 以后從0x90000400 開始的 Flash 空間才用來存放用戶程序。同時(shí)，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)采用的 基于 DSP的視頻采集與壓縮傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 35 頁 共 83 頁 Flash 地址擴(kuò)展方式并不是用 FPGA 硬件自動(dòng)轉(zhuǎn)換，而是由 DSP 軟件控制 GPIO控制實(shí)現(xiàn)，所以在二級(jí) Bootloader 中，必須考慮搬運(yùn)地址跨頁的情況。 圖 16 二級(jí) Bootloader 工作流程 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) DM642 驅(qū)動(dòng)模型 DM642 為設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)者提供了一種類 / 微型驅(qū)動(dòng)模 (class/minidriver model)。類驅(qū)動(dòng)層與底層設(shè)備無關(guān)，執(zhí)行寄存器管理等功能，它包括用戶程序接口 (API)層和一個(gè)適配層。適配 層 負(fù)責(zé)應(yīng)用程序?qū)雍偷讓游⑿万?qū)動(dòng)之間的接口。微型驅(qū)動(dòng)執(zhí)行了所有與底層設(shè)備相關(guān)的控制和初始化。所有的微型驅(qū)動(dòng)遵循了IOM(I/O Minidriver)接口，這種 IOM 接口是 TI 公司根據(jù)多種外圍設(shè)備，如串行接口，視頻接口， FLASH 等而設(shè)計(jì)的，具有一 定的通用性。這樣，上層的應(yīng)用程序不直接控制微型驅(qū)動(dòng)，而是使用一個(gè)或一個(gè)以上的類驅(qū)動(dòng)對(duì)其進(jìn)行微型驅(qū)動(dòng)控制。 DSP／ BIOS 定義了三種類驅(qū)動(dòng)：流輸入輸出模塊 (SIO)，管道管理模塊 (PIP)，通用輸入輸出模塊 (GIO)。 其中， SIO 和 PIP 分別需要使用適配器 DIO 和 PIO 來與微型驅(qū)動(dòng)進(jìn)行通信。 基于 DSP的視頻采集與壓縮傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 36 頁 共 83 頁 SIO/DIO 是基于流的 I/O 模型，使用異步方式來操作 I/O，對(duì)于數(shù)據(jù)的讀寫、處理可以同時(shí)進(jìn)行。 PIP/PIO 是基于管道的 I/O 模型，每個(gè)管道維護(hù)著一個(gè)被劃分為多個(gè)大小相同的幀的緩沖區(qū)。 GIO類驅(qū)動(dòng)采用基于流的同步 I/O數(shù)據(jù)傳輸模式，適合大流量數(shù)據(jù)的傳輸，更適合文件系統(tǒng)。與 SIO/DIO 和 PIP/PIO 不同， GIO 包含內(nèi)置的 IOM(I/O Manager 輸入輸出管理 )適配層，可以直接與微型驅(qū)動(dòng)進(jìn)行通信。 GIO 模塊與其他兩個(gè)模塊相比，有一個(gè)很重要的特性，就是可以擴(kuò)展 API函數(shù)支持新的應(yīng)用領(lǐng)域，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì) GIO 類驅(qū)動(dòng)的擴(kuò)展。這種可擴(kuò)展 API的特性正好可以用在視頻驅(qū)動(dòng)開發(fā)方面。例如這種擴(kuò)展可以滿足視頻設(shè)備存儲(chǔ)區(qū)的需要。另外，在提供了視頻驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序之間的視頻數(shù)據(jù)同步機(jī)制之后，這種擴(kuò)展也能夠允許使用一個(gè)單獨(dú)的調(diào)用來 “交換 ”視頻緩沖區(qū)。這種交換緩沖區(qū)的機(jī)制對(duì)于實(shí)時(shí)視頻信號(hào)的采集與顯示是十分重要的。所以，在視頻驅(qū)動(dòng)中，我們采用通用輸入輸出模塊 GIO。應(yīng)用程序可以直接地調(diào)用 GIO 的 API 函數(shù)和 IOM微型驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行交互，這些 GIO 的 API 就可以看作是類驅(qū)動(dòng)。 GIO 類驅(qū)動(dòng)接口如圖 2 所示。 GIO_create 會(huì)為一個(gè)特定的 IOM 通道實(shí)例創(chuàng)建一個(gè) GIO 對(duì)象，這是類驅(qū)動(dòng)使用微型驅(qū)動(dòng)的第一步，首先創(chuàng)建對(duì)象及 IOM 通道，然后在此通道上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸工作。 DSP/BIOS 驅(qū)動(dòng)開發(fā)套件 DDK DDK 是 TI 公司用來簡化設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開 發(fā)的軟件套件。為了達(dá)到簡化設(shè)計(jì)的目標(biāo)， DDK 提供： （ 1） 多種 TMS320 DSP 外設(shè)的全部設(shè)備驅(qū)動(dòng)； （ 2） 一個(gè)驅(qū)動(dòng)模型，統(tǒng)一的驅(qū)動(dòng)開發(fā)方法； （ 3） 一個(gè)可復(fù)用的驅(qū)動(dòng)模塊，避免從最底層開發(fā)驅(qū)動(dòng)代碼。 該套件為 TMS320 系列各種外圍器件提供完整的標(biāo)準(zhǔn)化驅(qū)動(dòng)程序模型，使得驅(qū)動(dòng)程序可以很方便地移植到其他應(yīng)用中，大大提高驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)的效率。 DDK是對(duì)每種 TMS320 系列 DSP 都提供的芯片支持庫 (Chip Support LibraryCSL)的補(bǔ)充， CSL 提供對(duì)外圍器件寄存器配置及初始化等的低級(jí)控制， DDK 完 全通過 CSL 基于 DSP的視頻采集與壓縮傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)