一種視頻處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 引言

在視頻處理領(lǐng)域，由于處理的數(shù)據(jù)量大，算法復(fù)雜度高，使得處理的實(shí)時(shí)性成為難題。如果使用專(zhuān)門(mén)的視頻算法器件，在保證實(shí)時(shí)性的同時(shí)卻使系統(tǒng)的靈活性大大降低。tms320dm642是TI公司C6000系列DSP總最新的定點(diǎn)DSP，其核心是C6416型高性能數(shù)字信號(hào)處理器，具有極強(qiáng)的處理性能，高度的靈活性和可編程性，同時(shí)外圍集成了非常完整的音頻、視頻和網(wǎng)絡(luò)通信等設(shè)備及接口，特別適用于機(jī)器視覺(jué)、醫(yī)學(xué)成像、網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控、數(shù)字廣播以及基于數(shù)字視頻/圖像處理的消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品等高速DSP應(yīng)用領(lǐng)域。筆者針對(duì)市場(chǎng)客戶(hù)的需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款以TVP5150為視頻輸入解碼器，以PCM1801為音頻輸入采集電路，以TMS320DM642型DSP為核心處理器的多路視頻采集兼壓縮處理PCI板卡，并將其應(yīng)用于構(gòu)建高穩(wěn)定性、高魯棒性和多媒體數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，取得了較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

圖1給出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。以DM642為核心，DM642的最高時(shí)鐘頻率為720MHz，最大處理能力為5760MIPS。DM642基于C64x內(nèi)核，采用了增強(qiáng)型超長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)，集成了8個(gè)獨(dú)立的功能單元（6個(gè)32位的算術(shù)邏輯單元和2個(gè)32位的乘法單元）和64個(gè)32位的通用寄存器，在一個(gè)周期內(nèi)可以完成4個(gè)16位的乘累加運(yùn)算或者8個(gè)8位的乘累加運(yùn)算。該芯片的片上外設(shè)也是相當(dāng)?shù)呢S富，包括時(shí)鐘高達(dá)133MB可與SDRAM、FLASH等外部存儲(chǔ)芯片實(shí)現(xiàn)無(wú)縫鏈接的外圍存儲(chǔ)器接口（EMIF總線）；三個(gè)可配置的視頻接口，同時(shí)支持三路視頻輸入或者輸出，非常適合數(shù)字圖像和視頻處理；一個(gè)10/100Mit/s的以太網(wǎng)接口；十六個(gè)通用輸入輸出口GPIO，以及I2C、PCI和HPI等眾多協(xié)議接口。

2.2 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

DSP（digital signal processor）是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號(hào)來(lái)處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號(hào)。再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬(wàn)條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱(chēng)道的兩大特色。

DSP系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)模塊是關(guān)鍵，高精度的供電才能保證系統(tǒng)正常工作。系統(tǒng)采用5 V電源驅(qū)動(dòng)2個(gè)MOSFET的DC—DC調(diào)整器（TPS54310）分別供給DSP的核心電壓CVDD（1.4V）和外圍電壓DVDD（3.3 V）。在3.3 V和1.4 V電源之間連接肖特基二極管，保證DM642內(nèi)核和外部端口同時(shí)供電。TI公司的TPS543lO的輸出精度是1％，完全滿(mǎn)足DSP工作要求。

2.3 視頻輸入與輸出

DM642集成有3個(gè)視頻（Video Port，VP）口，每個(gè)視頻口是由20 bit數(shù)據(jù)線、2個(gè)時(shí)鐘信號(hào)VPxCLK0（輸入）和VPx-CLKl（輸入／輸出）、3個(gè)控制信號(hào)VPxCTL0、VPxCTLl和VPx-CTL2組成。時(shí)鐘信號(hào)作為視頻源的時(shí)鐘信號(hào)輸入／輸出，控制信號(hào)作為視頻源的同步信號(hào)輸入／輸出（行同步、幀同步、場(chǎng)標(biāo)志，視頻采集使能等）。每個(gè)視頻口被分為上（B）、下（A）2個(gè)通道，VP0的A通道與McBSPO復(fù)用，VPl的A通道與McB—SPl復(fù)用，VP0和VPl的B通道與McASP復(fù)用，VP2則為單功能引腳。每個(gè)視頻口可被配置為視頻輸入口或視頻輸出口，但是上（B）、下（A）2個(gè)通道只能同時(shí)被配置為輸入口，或同時(shí)被配置為輸出口，不能一個(gè)通道配置為輸入口，另一個(gè)通道配置為輸出口。

系統(tǒng)將VP0和VPl配置成為單通道視頻輸入和McASP口，VP2配置成為單通路的視頻輸出口。VPO與VPl配置為單通道視頻輸入口時(shí)，VPxCLK0作為視頻源的輸入時(shí)鐘，VPxCLK1未用。而VPxCTL0、VPxCTLl和VPxCTL2則分別作為視頻源中的時(shí)基碼控制。當(dāng)CAPEN信號(hào)無(wú)效或在EAV和SAV時(shí)基碼之間時(shí)，將不對(duì)視頻數(shù)據(jù)流進(jìn)行采樣。BT.656視頻數(shù)據(jù)流采集的起始、水平同步、垂直同步等，受輸入信號(hào)CAPEN和視頻通道控制寄存器VCxCTL（x=A、B）中的VCEN、EXC、HRST、VRST、FLDD等控制位組合控制。當(dāng)配置為單通道視頻輸出口時(shí)，VPxCLK1作為視頻源輸出時(shí)鐘，VPxCLK0作為輸入時(shí)鐘。而VPxCTL0、VPxCTLl和VPxCTL2分別作為輸出視頻的HSYNC／HBLNK／AVID/FLD、VSYNC／VBLNK／CSYNC／FLD、CBLKN/FLD。3個(gè)VP口均作為8位視頻接口，使用lO位數(shù)據(jù)總線中的高8位，即VPxD[9：2]。系統(tǒng)的視頻解碼和視頻編碼器分別選用Philips公司的SAA7l13H和SAA7105H，圖2給出視頻解碼和DM642的連接圖。圖3給出視頻編碼和DM642的連接圖。

當(dāng)SAA7105H工作在VGA輸出時(shí)，其工作時(shí)鐘的上升沿和下降沿都要接收數(shù)據(jù)，圖3中VP2與SAA7105H的連接方式，只用到VP2的8位數(shù)據(jù)線，因此VP2在每個(gè)時(shí)鐘周期只有在上升沿輸出8位數(shù)據(jù)，無(wú)法滿(mǎn)足SAA7105H的工作要求。

2.4 地址空間映射

DM642的程序／數(shù)據(jù)空間以字節(jié)為單位進(jìn)行統(tǒng)一編址，整個(gè)尋址空間為4 G字節(jié)。其片上存儲(chǔ)器，片上外設(shè)及外部存儲(chǔ)器接口（EMIF）均映射到此4 G字節(jié)空間中。

DM642的CEO空間被配置為64 bit SDRAM接口，分配給外擴(kuò)的SDRAM使用。SDRAM的工作時(shí)鐘由DM642的ECLKOUTl提供，其可由軟件配置為EMIF的ECLKIN或CPU時(shí)鐘/4、或CPU時(shí)鐘／6，最高為133 MHz。一般情況下，配置為ECLKIN，即100 MHz。SDRAM在子空間的具體定位為：Ox8000 0000~Ox81FF FFFF。

DM642的CEl空間被配置為8Mx8 bit的Flash，在CEl子空間占據(jù)的具體空間定位為0x9000 0000～0x9007 FFFF。

DM642外部地址總線只有A[22：3]，總共20根，所以CEl子空間最大的尋址范圍為lMx8 bit。系統(tǒng)中CEl子空間除了分配給Flash以外，還分配給狀態(tài)，控制寄存器、UARTA、UARTB等資源使用，其中Flash只占據(jù)CEl子空間的前一半的尋址空間，即最大的可尋址范圍為512Kx8 bit，而Flash的設(shè)計(jì)容量為8 Mx8 bit，所以為尋址到Flash所有的地址空間，采用分頁(yè)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)Flash的訪問(wèn)。

2.5 I2C總線

I2C（Inter－Integrated Circuit）總線是由PHILIPS公司開(kāi)發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。是微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡(jiǎn)單，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點(diǎn)。由于連接到I2C 總線的器件有不同種類(lèi)的工藝（CMOS、NMOS、雙極性），邏輯0（低）和邏輯1（高）的電平不是固定的，它由電源VCC的相關(guān)電平?jīng)Q定，每傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)位就產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘脈沖。

I2C總線由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，在CPU與被控IC之間、IC與IC之間雙向傳送。在數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中共有3種信號(hào)，分別是開(kāi)始信號(hào)、結(jié)束信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)。其中，開(kāi)始信號(hào)：SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)；結(jié)束信號(hào)：SCL為低電平時(shí)，SDA由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)；應(yīng)答信號(hào)：接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8 bit數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖。

DM642集成有一條I2C總線。DM642為總線的主設(shè)備。系統(tǒng)用I2C總線連接了以下從設(shè)備：2路視頻解碼器SAA7113H的控制口、1路視頻編碼器SAA7105H的控制口和1路實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC。每個(gè)I2C總線的從設(shè)備均對(duì)應(yīng)一個(gè)從設(shè)備地址，I2C總線以此從設(shè)備地址區(qū)分所訪問(wèn)的是哪個(gè)從設(shè)備。DM642通過(guò)I2C總線配置上述器件的寄存器。

2.6 網(wǎng)絡(luò)接口

DM642的網(wǎng)絡(luò)接口由EMAC與MDIO兩部分組成的。其主要功能有：符合IEEE802.3協(xié)議；支持傳媒無(wú)關(guān)接口（MII）；8個(gè)獨(dú)立的發(fā)送與接收通路；同步的10／100 Mbit的數(shù)據(jù)操作；廣播及多幀的傳送。

系統(tǒng)選用LXT971ALC作為10／100Base一TX以太網(wǎng)收發(fā)器。LXT971ALC的MII接口與DM642的MII接口對(duì)接。DM642的MII不支持TXER，它通過(guò)求反發(fā)送幀CRC來(lái)指出網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤，所以LXT971ALC上的TXER引腳直接接為無(wú)效。系統(tǒng)只采用10／lOOBase-TX方式，信號(hào)經(jīng)Hll02 1：1變壓器變換成TX+、TX一、RX+和RX一信號(hào)，連接到RJ45連接器上。RJ45連接器選用406549一l，其上帶2個(gè)LED指示燈，綠色LED，用作指示連接狀態(tài)；黃色LED正常情況下用于指示數(shù)據(jù)傳輸。

3 系統(tǒng)調(diào)試

3.1 視頻通道的驅(qū)動(dòng)

系統(tǒng)中視頻解碼通道使用SAA7113，編碼通道使用SAA7105H。這2個(gè)器件需要經(jīng)過(guò)寄存器配置才能正常工作，因?yàn)榧拇嫫鲾?shù)量眾多，直接逐個(gè)配置寄存器相當(dāng)復(fù)雜。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了基于DSP／BIOS的應(yīng)用程序，可以調(diào)用FWID API函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻通道的驅(qū)動(dòng)。以下是幾個(gè)接口函數(shù)的使用說(shuō)明：

（1）初始化工作 FVID_croat（name，mode，*status，

optArgs，*attm）參數(shù)說(shuō)明：String name：device driver的名字，該device driver在DSP／BIOS中定義；Int mode：指定設(shè)備的打開(kāi)模式為輸入/輸出；Int*status：該參數(shù)是application送給mini—driver的一個(gè)狀態(tài)指針，由mini—dIiver來(lái)返回狀態(tài)的；PtroptArgs：用于初始化FVID channel的具體參數(shù)，用結(jié)構(gòu)體的形式打包，并將指向該結(jié)構(gòu)體的指針傳送給mini—driver進(jìn)行處理；FVID_Attrs *attrs：FVID_Attrs結(jié)構(gòu)參數(shù)為空，表示FVID_alloc，F(xiàn)VID_free,FVID_exchange calls為非block形式，無(wú)論成功與否，立刻返回。

（2）發(fā)送控制命令到mini—driver FVID_control（disChan，VPORT_CMD_START， NULL）參數(shù)說(shuō)明：FVID_HandlevidChan：fvid通道句柄；Int cmd：cmd命令；Ptr args：cmd命令附帶的信息。該函數(shù)發(fā)送一個(gè)控制命令給mini—dTiver，將由mini—driver做相應(yīng)的響應(yīng)，在這里通知vport端口開(kāi)始工作。

（3）給VP口分配緩沖區(qū)FVID_alloc（fvidChan，bufp）參數(shù)說(shuō)明：FVID_handle fvidChan：fvid通道句柄；Ptr bafp：分配的緩沖區(qū)指針。該函數(shù)從mini—ditver獲取緩沖區(qū)指針。

（4）FVID_exchange（fvidChan,bufp） 參數(shù)說(shuō)明：FVID_handle fvidChan：fvid通道句柄；Ptr butp：交換的緩沖區(qū)指針。該函數(shù)將轉(zhuǎn)換好的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給mini—driver處理，并傳回空緩沖區(qū)指針，F(xiàn)VID_exchange函數(shù)相當(dāng)于順序執(zhí)行FVID_free和FVID_alloc函數(shù)。利用FVID的API函數(shù)可方便配置和驅(qū)動(dòng)視頻通道，實(shí)現(xiàn)視頻的采集和輸出。

3.2 VGA輸出

VGA（VideoGraphic Array）接口，即視頻圖形陣列，也叫DSub接口。VGA接口采用非對(duì)稱(chēng)分布的15針連接方式，其工作原理是將顯存內(nèi)以數(shù)字格式存儲(chǔ)的圖像信號(hào)在RAMDAC里經(jīng)過(guò)模擬調(diào)制成模擬高頻信號(hào)，然后再輸出到顯示設(shè)備成像。視頻編碼器SAA7105H支持VGA輸出，SAA7105H被配置為VGA輸出時(shí)，送輸出緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)必須為RGB格式，而非YUV4：2：2。用戶(hù)可以自行編寫(xiě)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換函數(shù)，或者調(diào)用TI img64.lib庫(kù)中的IMG_ycbcr422p_rgb565函數(shù)實(shí)現(xiàn)視頻格式的轉(zhuǎn)換。

3.3 程序從Flash的引導(dǎo)

在系統(tǒng)上調(diào)試程序時(shí)，利用仿真器把程序下載到SDRAM內(nèi)執(zhí)行。當(dāng)程序調(diào)試完畢應(yīng)用時(shí)，應(yīng)該把程序燒寫(xiě)到外部Flash里，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)每次上電后程序從Flash引導(dǎo)加載自動(dòng)運(yùn)行，省去每次利用仿真器下載程序。

DM642是以ROM方式引導(dǎo)系統(tǒng)的，當(dāng)DSP上電或復(fù)位時(shí)，內(nèi)核處于復(fù)位狀態(tài)，并自動(dòng)以ROM的讀寫(xiě)時(shí)序從Flash的第0頁(yè)起始地址開(kāi)始復(fù)制lK字節(jié)的代碼到DSP的片內(nèi)內(nèi)存起始地址為O的地址空間。然后釋放CPU，使其從0地址開(kāi)始運(yùn)行程序。

Flash燒寫(xiě)根據(jù)不同的硬件設(shè)計(jì)，燒寫(xiě)步驟略有不同，但基本過(guò)程相同。系統(tǒng)Flash的燒寫(xiě)過(guò)程：①把引導(dǎo)程序文件boot.asm添加到要燒寫(xiě)的工程中，在BIOS中添加BOOT段，修改相應(yīng)的CMD文件，編譯原工程生成新的。out文件；②使用hex6x工具把生成的COFF格式的。out文件轉(zhuǎn)化為。hex文件；③用FlashBurn建立。ccd文件；④用FlashBurn打開(kāi)建立的。ccd文件，先擦除Flash，然后燒寫(xiě)Flash。

按照上述步驟燒寫(xiě)程序到Flash，在系統(tǒng)上電后程序?qū)⒆詣?dòng)執(zhí)行。應(yīng)該注意的是，燒寫(xiě)程序后的系統(tǒng)仿真環(huán)境將難以進(jìn)去，解決的辦法是一邊反復(fù)按復(fù)位鍵，一邊打開(kāi)仿真環(huán)境則可進(jìn)去。

4 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)研究并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)通用的基于DM642的視頻處理系統(tǒng)。采用了針對(duì)多媒體應(yīng)用開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用媒體處理芯片DM642，該芯片配有豐富的外設(shè)接口，減小了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比；通過(guò)外接的SDRAM編程實(shí)現(xiàn)MPEG一2、MPEG-4、H.264等多種視頻壓縮編解碼算法，靈活性大，實(shí)用性強(qiáng)，優(yōu)于專(zhuān)用的視頻編解碼系統(tǒng)；由于DM642的高速運(yùn)算能力，實(shí)時(shí)性強(qiáng)也是系統(tǒng)的一大優(yōu)點(diǎn)。