多媒體處理器DM642及其在視頻監(jiān)控中的應用
[導讀]介紹了一種新型的多媒體DSP處理器DM642的結(jié)構(gòu)和功能，總結(jié)了開發(fā)DM642系統(tǒng)的應用技術和方法，并給出了基于DM642的視頻監(jiān)控系統(tǒng)實例。
引 言
視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案有很多種，但是市場產(chǎn)品的主流一般選擇兩種方案：一是基于CPU和專用的視頻編解碼ASIC芯片。該方案選擇以ARM為核心的CPU和專用媒體處理芯片搭建。優(yōu)點是開發(fā)時間相對較短，但由于采用ASIC，靈活性較差，產(chǎn)品一旦定型，很難更改。二是采用面向媒體處理的專用DSP。其開發(fā)時間不長，優(yōu)點是由于算法是軟件代碼，所以可以不斷對產(chǎn)品性能進行升級，重復開發(fā)成本較低。由全球最大的DSP制造商德州儀器（TI）推出的TMS320DM642（以下簡稱DM642）作為一款高性價比、專用于多媒體應用的DSP，已被國內(nèi)外視頻應用從業(yè)者廣泛接受和采用。本文較詳細地介紹DM642的主要特性和系統(tǒng)應用開發(fā)技術，并給出基于DM642的視頻監(jiān)控應用實例。
DM642多媒體處理器
DM642是TI 公司專門為多媒體應用而開發(fā)的DSP，采用TI 的第二代高級超長指令字結(jié)構(gòu)（VelociTI），使得在一個指令周期能夠并行處理多條指令。它可在600MHz時鐘頻率下工作，每個指令周期可并行8條32bit指令，因此，可達到4800MIPS的峰值計算速度。DM642采用兩級緩存結(jié)構(gòu)：第一級包括相互獨立的LIP（16kB）和LID （16kB），只能作為高速緩存使用；第二級L2（256kB）是一個統(tǒng)一的程序/數(shù)據(jù)空間，可整體作為SRAM映射到存儲空間，也可整體作為第二級Cache，或是二者按比例的一種組合來使用。DM642具有64個獨立通道的EDMA（擴展的直接存儲器訪問）控制器，負責片內(nèi)L2與其他外設之間的數(shù)據(jù)傳輸。容量較大的兩級緩存和EDMA 通道是DM642高性能的體現(xiàn)之一，若能合理使用和管理，將能大幅度提高程序的運行性能。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
此外DM642具有豐富的外圍設備接口，包括3個可配置的雙通道視頻端口video port，其中每個videoport又分成A和B兩個通道，A/B通道可分別處理一路視頻采集，因此DM642最多可以處理6路視頻采集數(shù)據(jù)（不帶音頻）。如果將video port配置成用于視頻輸出，則只能在A通道輸出，B通道不可以，因此DM642最多可支持3路視頻輸出（不帶音頻）。如果同時處理音頻，每一個video port可以處理兩路立體聲。另外還包括64bit的外部存儲器接口（EMIF）、10/100Mbit/s以太網(wǎng)MAC和多通道音頻串行端口（McASP）以及66MHz32bit的PCI接口。
DM642的基本系統(tǒng)由DM642和外擴的存儲器以及外設組成，而外擴的存儲器和外設均通過DM642的外部存儲器接口（EMIF）進行擴展。DM642基本系統(tǒng)所必須的外擴資源包括：
（1）SDRAM（4M64bit），用于存放程序和緩存數(shù)字視頻/ 音頻數(shù)據(jù)；
（2）FLASH（4M8bit），用于存放固化程序，以便進行ROM引導；
（3）UART（288bit），擴展2個異步串口（RS232/RS422/RS485）；
（4）板上寄存器（n×8bit），由若干個8位狀態(tài)/控制寄存器組成；
（5）硬盤接口（2816bit），用于本地大容量存儲接口。
由此可見，DM642是一個功能強大的多媒體處理器，可用來實現(xiàn)高速完成大數(shù)據(jù)量的數(shù)字視頻/音頻編解碼處理，特別適合于開發(fā)多媒體通信設備。是目前構(gòu)造數(shù)字多媒體應用的理想平臺。
DM642的應用開發(fā)技術
軟件開發(fā)工具
由TI 公司發(fā)布的DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS（CodeComposer Studio），是一個基于Windows的DSP開發(fā)平臺，是目前最優(yōu)秀、最流行的DSP開發(fā)軟件之一。CCS集成可視化的編輯界面可直接編寫C、匯編語言，除了擴展了基本的代碼產(chǎn)生工具，CCS還集成了C編譯器，C優(yōu)化器、匯編器、匯編優(yōu)化器和連接器等。并支持RTDX（Real Time Data Exchange）技術，可在不中斷目標系統(tǒng)運行的情況下，實現(xiàn)DSP與其他應用程序（OLE）的數(shù)據(jù)交換。此外，CCS的斷點工具、探針工具和分析工具使得開發(fā)者的一切開發(fā)過程都是在CCS這個集成環(huán)境下進行，包括項目的建立、源程序的編輯以及程序的編譯和調(diào)試。
CCS內(nèi)部還包含了實時操作系統(tǒng)（RTOS）DSP/BIOS，主要是為多任務實時調(diào)度和同步以及主機/目標系統(tǒng)通信和實時監(jiān)測的應用而設計的。DSP/BIOS具有實時操作系統(tǒng)的很多功能，如任務的調(diào)度管理、任務間的同步和通信、內(nèi)存管理、實時時鐘管理、中斷服務管理、外設驅(qū)動管理等。使用DSP/BIOS工具可以幫助開發(fā)人員更加容易地控制DSP的硬件資源，更加靈活地協(xié)調(diào)各個軟件模塊的執(zhí)行，加快軟件開發(fā)和調(diào)試速度。
DM642的片內(nèi)內(nèi)存
DM642有256kbit/s的片內(nèi)內(nèi)存，對于直接處理圖像數(shù)據(jù)還是很有限的。如MPEG-4算法一般至少要存儲當前待編碼幀數(shù)據(jù)和上一幀的重建幀數(shù)據(jù)，一幀YUV4∶2∶0格式CIF圖像的數(shù)據(jù)約有150kB，256kB，內(nèi)存對于CIF 圖像就不夠了。對于DM642，數(shù)據(jù)如果放在板卡上的片外內(nèi)存中， 數(shù)據(jù)的處理速度會大大降低，這是因為DSP對于片外數(shù)據(jù)的運算要慢得多。我們一般采取的方案是對圖像以宏塊為單位處理，只將運算時該宏塊需要的數(shù)據(jù)導入片內(nèi)， 其他數(shù)據(jù)留在片外，這樣的數(shù)據(jù)量就足夠放在片內(nèi)了。
充分利用DM642的DMA通道
DSP直接訪問內(nèi)存會造成等待， 浪費大量不必要的時鐘周期。幸好DM642有強大的DMA能力，因此我們可以在處理當前宏塊數(shù)據(jù)時， 將下一個宏塊的數(shù)據(jù)通過DMA倒入片內(nèi)，當處理完當前宏塊的時候，下一個宏塊的數(shù)據(jù)就已經(jīng)準備好了，這樣可以極大提高DSP的利用率。但具體實現(xiàn)的時候需要對DMA啟動的時機進行仔細的考慮，在數(shù)據(jù)訪問不沖突的情況下盡量提前。
DM642的兩級Cache
L1和L2組成了DM642的兩級緩存。L1距離DSP核最近，數(shù)據(jù)訪問速度最快，只能作為不能尋址的Cache使用，由相互獨立的LIP和LID組成；LIPCache大小為16kB，直接映射，每行大小為32B；LID Cache大小16kB，2路映射，每行大小為64B。L2是L1和外存儲器的中間層，容量較大，有256kbit/s，是統(tǒng)一的存儲空間，即可同時存儲程序和數(shù)據(jù)。L2可作為SRAM映射到存儲空間使用，也可整體作為第二級Cache，或是作為二者按比例的一種組合混合使用。L2作為SRAM使用時，即是DM642的片內(nèi)內(nèi)存，從整個系統(tǒng)地址空間的起始地址0x00000000開始編址，當作為Cache使用時，4路映射，每行大小為128B，容量在32-56kB 之間。在實際開發(fā)過程中要充分利用Cache，總的原則是將盡量多的關鍵數(shù)據(jù)分配在片內(nèi)，Cache越大越好，對于不同的應用需要用不同的配置。最優(yōu)配置需要在開發(fā)中根據(jù)經(jīng)驗和實際的測試結(jié)果進行選擇。
視頻監(jiān)控實例
下面介紹一個基于DM642的網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)，如圖2所示。需要以下硬件：DM642、射像頭、Philips公司的視頻解碼芯片SA A 7115、Intel公司的LXT971ALC芯片（PHY）以及外圍的RJ45接口、SDRAM和Flash存儲器。由攝像頭采集的模擬視頻信號經(jīng)SAA7115模數(shù)轉(zhuǎn)換后，形成YUV4∶2∶0格式的數(shù)字視頻信號，從DM642視頻端口輸入；由基于DM642的軟件編碼器編碼壓縮處理（軟件編碼器可采用H.263，H.264，MPEG-2，MPEG-4和M-JPEG等各種現(xiàn)有的或?qū)淼囊曨l編碼標準），編碼壓縮生成的視頻碼流數(shù)據(jù)，打包后通過RJ45口經(jīng)以太網(wǎng)傳送到遠端目的地，完成網(wǎng)絡視頻通信和監(jiān)控。經(jīng)DM642的MAC接口，在網(wǎng)絡傳輸?shù)耐瑫r，視頻信號可由視頻端口2經(jīng)視頻編碼芯片數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出模擬視頻信號到監(jiān)視器進行本地回顯。
通過DM642的EMIF接口，可連接SDRAM和Flash存儲器（SDRAM擴展了系統(tǒng)的可用存儲空間，系統(tǒng)的初始化代碼和配置信息則存儲到Flash中）。此外DM642的視頻端口通過視頻解碼芯片SAA7115能很方便地實現(xiàn)和攝像頭的無縫連接，視頻端口0和1可分別獲取兩路視頻輸入，根據(jù)應用需要，可靈活地設置單路或多路視頻輸入。
結(jié)束語
由上述介紹可以看到，DM642是一個強大的多媒體處理器，是構(gòu)成多媒體通信系統(tǒng)的良好的平臺。它的豐富的外圍接口使得它近乎是一個多媒體嵌入式系統(tǒng)的單芯片硬件平臺；它的完全可編程性， 又可以使得它能夠兼容正在發(fā)展的各種多媒體信號處理標準， 構(gòu)成通用的軟件平臺。這些特性必將使得它得到廣泛的應用。
視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案有很多種，但是市場產(chǎn)品的主流一般選擇兩種方案：一是基于CPU和專用的視頻編解碼ASIC芯片。該方案選擇以ARM為核心的CPU和專用媒體處理芯片搭建。優(yōu)點是開發(fā)時間相對較短，但由于采用ASIC，靈活性較差，產(chǎn)品一旦定型，很難更改。二是采用面向媒體處理的專用DSP。其開發(fā)時間不長，優(yōu)點是由于算法是軟件代碼，所以可以不斷對產(chǎn)品性能進行升級，重復開發(fā)成本較低。由全球最大的DSP制造商德州儀器（TI）推出的TMS320DM642（以下簡稱DM642）作為一款高性價比、專用于多媒體應用的DSP，已被國內(nèi)外視頻應用從業(yè)者廣泛接受和采用。本文較詳細地介紹DM642的主要特性和系統(tǒng)應用開發(fā)技術，并給出基于DM642的視頻監(jiān)控應用實例。
DM642多媒體處理器
DM642是TI 公司專門為多媒體應用而開發(fā)的DSP，采用TI 的第二代高級超長指令字結(jié)構(gòu)（VelociTI），使得在一個指令周期能夠并行處理多條指令。它可在600MHz時鐘頻率下工作，每個指令周期可并行8條32bit指令，因此，可達到4800MIPS的峰值計算速度。DM642采用兩級緩存結(jié)構(gòu)：第一級包括相互獨立的LIP（16kB）和LID （16kB），只能作為高速緩存使用；第二級L2（256kB）是一個統(tǒng)一的程序/數(shù)據(jù)空間，可整體作為SRAM映射到存儲空間，也可整體作為第二級Cache，或是二者按比例的一種組合來使用。DM642具有64個獨立通道的EDMA（擴展的直接存儲器訪問）控制器，負責片內(nèi)L2與其他外設之間的數(shù)據(jù)傳輸。容量較大的兩級緩存和EDMA 通道是DM642高性能的體現(xiàn)之一，若能合理使用和管理，將能大幅度提高程序的運行性能。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
此外DM642具有豐富的外圍設備接口，包括3個可配置的雙通道視頻端口video port，其中每個videoport又分成A和B兩個通道，A/B通道可分別處理一路視頻采集，因此DM642最多可以處理6路視頻采集數(shù)據(jù)（不帶音頻）。如果將video port配置成用于視頻輸出，則只能在A通道輸出，B通道不可以，因此DM642最多可支持3路視頻輸出（不帶音頻）。如果同時處理音頻，每一個video port可以處理兩路立體聲。另外還包括64bit的外部存儲器接口（EMIF）、10/100Mbit/s以太網(wǎng)MAC和多通道音頻串行端口（McASP）以及66MHz32bit的PCI接口。
DM642的基本系統(tǒng)由DM642和外擴的存儲器以及外設組成，而外擴的存儲器和外設均通過DM642的外部存儲器接口（EMIF）進行擴展。DM642基本系統(tǒng)所必須的外擴資源包括：
（1）SDRAM（4M64bit），用于存放程序和緩存數(shù)字視頻/ 音頻數(shù)據(jù)；
（2）FLASH（4M8bit），用于存放固化程序，以便進行ROM引導；
（3）UART（288bit），擴展2個異步串口（RS232/RS422/RS485）；
（4）板上寄存器（n×8bit），由若干個8位狀態(tài)/控制寄存器組成；
（5）硬盤接口（2816bit），用于本地大容量存儲接口。
由此可見，DM642是一個功能強大的多媒體處理器，可用來實現(xiàn)高速完成大數(shù)據(jù)量的數(shù)字視頻/音頻編解碼處理，特別適合于開發(fā)多媒體通信設備。是目前構(gòu)造數(shù)字多媒體應用的理想平臺。
DM642的應用開發(fā)技術
軟件開發(fā)工具
由TI 公司發(fā)布的DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS（CodeComposer Studio），是一個基于Windows的DSP開發(fā)平臺，是目前最優(yōu)秀、最流行的DSP開發(fā)軟件之一。CCS集成可視化的編輯界面可直接編寫C、匯編語言，除了擴展了基本的代碼產(chǎn)生工具，CCS還集成了C編譯器，C優(yōu)化器、匯編器、匯編優(yōu)化器和連接器等。并支持RTDX（Real Time Data Exchange）技術，可在不中斷目標系統(tǒng)運行的情況下，實現(xiàn)DSP與其他應用程序（OLE）的數(shù)據(jù)交換。此外，CCS的斷點工具、探針工具和分析工具使得開發(fā)者的一切開發(fā)過程都是在CCS這個集成環(huán)境下進行，包括項目的建立、源程序的編輯以及程序的編譯和調(diào)試。
CCS內(nèi)部還包含了實時操作系統(tǒng)（RTOS）DSP/BIOS，主要是為多任務實時調(diào)度和同步以及主機/目標系統(tǒng)通信和實時監(jiān)測的應用而設計的。DSP/BIOS具有實時操作系統(tǒng)的很多功能，如任務的調(diào)度管理、任務間的同步和通信、內(nèi)存管理、實時時鐘管理、中斷服務管理、外設驅(qū)動管理等。使用DSP/BIOS工具可以幫助開發(fā)人員更加容易地控制DSP的硬件資源，更加靈活地協(xié)調(diào)各個軟件模塊的執(zhí)行，加快軟件開發(fā)和調(diào)試速度。
DM642的片內(nèi)內(nèi)存
DM642有256kbit/s的片內(nèi)內(nèi)存，對于直接處理圖像數(shù)據(jù)還是很有限的。如MPEG-4算法一般至少要存儲當前待編碼幀數(shù)據(jù)和上一幀的重建幀數(shù)據(jù)，一幀YUV4∶2∶0格式CIF圖像的數(shù)據(jù)約有150kB，256kB，內(nèi)存對于CIF 圖像就不夠了。對于DM642，數(shù)據(jù)如果放在板卡上的片外內(nèi)存中， 數(shù)據(jù)的處理速度會大大降低，這是因為DSP對于片外數(shù)據(jù)的運算要慢得多。我們一般采取的方案是對圖像以宏塊為單位處理，只將運算時該宏塊需要的數(shù)據(jù)導入片內(nèi)， 其他數(shù)據(jù)留在片外，這樣的數(shù)據(jù)量就足夠放在片內(nèi)了。
充分利用DM642的DMA通道
DSP直接訪問內(nèi)存會造成等待， 浪費大量不必要的時鐘周期。幸好DM642有強大的DMA能力，因此我們可以在處理當前宏塊數(shù)據(jù)時， 將下一個宏塊的數(shù)據(jù)通過DMA倒入片內(nèi)，當處理完當前宏塊的時候，下一個宏塊的數(shù)據(jù)就已經(jīng)準備好了，這樣可以極大提高DSP的利用率。但具體實現(xiàn)的時候需要對DMA啟動的時機進行仔細的考慮，在數(shù)據(jù)訪問不沖突的情況下盡量提前。
DM642的兩級Cache
L1和L2組成了DM642的兩級緩存。L1距離DSP核最近，數(shù)據(jù)訪問速度最快，只能作為不能尋址的Cache使用，由相互獨立的LIP和LID組成；LIPCache大小為16kB，直接映射，每行大小為32B；LID Cache大小16kB，2路映射，每行大小為64B。L2是L1和外存儲器的中間層，容量較大，有256kbit/s，是統(tǒng)一的存儲空間，即可同時存儲程序和數(shù)據(jù)。L2可作為SRAM映射到存儲空間使用，也可整體作為第二級Cache，或是作為二者按比例的一種組合混合使用。L2作為SRAM使用時，即是DM642的片內(nèi)內(nèi)存，從整個系統(tǒng)地址空間的起始地址0x00000000開始編址，當作為Cache使用時，4路映射，每行大小為128B，容量在32-56kB 之間。在實際開發(fā)過程中要充分利用Cache，總的原則是將盡量多的關鍵數(shù)據(jù)分配在片內(nèi)，Cache越大越好，對于不同的應用需要用不同的配置。最優(yōu)配置需要在開發(fā)中根據(jù)經(jīng)驗和實際的測試結(jié)果進行選擇。
視頻監(jiān)控實例
下面介紹一個基于DM642的網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)，如圖2所示。需要以下硬件：DM642、射像頭、Philips公司的視頻解碼芯片SA A 7115、Intel公司的LXT971ALC芯片（PHY）以及外圍的RJ45接口、SDRAM和Flash存儲器。由攝像頭采集的模擬視頻信號經(jīng)SAA7115模數(shù)轉(zhuǎn)換后，形成YUV4∶2∶0格式的數(shù)字視頻信號，從DM642視頻端口輸入；由基于DM642的軟件編碼器編碼壓縮處理（軟件編碼器可采用H.263，H.264，MPEG-2，MPEG-4和M-JPEG等各種現(xiàn)有的或?qū)淼囊曨l編碼標準），編碼壓縮生成的視頻碼流數(shù)據(jù)，打包后通過RJ45口經(jīng)以太網(wǎng)傳送到遠端目的地，完成網(wǎng)絡視頻通信和監(jiān)控。經(jīng)DM642的MAC接口，在網(wǎng)絡傳輸?shù)耐瑫r，視頻信號可由視頻端口2經(jīng)視頻編碼芯片數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出模擬視頻信號到監(jiān)視器進行本地回顯。
通過DM642的EMIF接口，可連接SDRAM和Flash存儲器（SDRAM擴展了系統(tǒng)的可用存儲空間，系統(tǒng)的初始化代碼和配置信息則存儲到Flash中）。此外DM642的視頻端口通過視頻解碼芯片SAA7115能很方便地實現(xiàn)和攝像頭的無縫連接，視頻端口0和1可分別獲取兩路視頻輸入，根據(jù)應用需要，可靈活地設置單路或多路視頻輸入。
結(jié)束語
由上述介紹可以看到，DM642是一個強大的多媒體處理器，是構(gòu)成多媒體通信系統(tǒng)的良好的平臺。它的豐富的外圍接口使得它近乎是一個多媒體嵌入式系統(tǒng)的單芯片硬件平臺；它的完全可編程性， 又可以使得它能夠兼容正在發(fā)展的各種多媒體信號處理標準， 構(gòu)成通用的軟件平臺。這些特性必將使得它得到廣泛的應用。
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